[논문 리뷰] Harvesting the (Self-)Interference in Heterogeneous Full-Duplex Networks For Joint Rate-Energy Optimization.

Ali Kariminezhad, Aydin Sezgin|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 01.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 41인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이방향 다중 안테나 환경에서 이종성 풀드업렉스 다중 사용자 네트워크에서 동시 수신-송신 비율 및 에너지 최적화 프레임워크를 제안한다. 사용자들은 잔여 자기간섭과 동일 대역 간섭을 에너지 원천으로 활용하면서도 잔여 자기간섭과 노이즈를 관리한다. 주요 기여는 스펙트럼 효율성과 RF 에너지 수확 능력을 동시에 극대화하는 비드포밍 및 자원 할당 전략으로, 간섭을 활용하여 에너지 공급을 향상시키되 비율 성능을 떨어뜨리지 않는다는 점을 입증한다.

ABSTRACT

Wireless nodes in future communication systems are expected to overcome three barriers when compared to their transitional counterparts, namely to support significantly higher data rates, have long-lasting energy supplies and remain fully operational in interference-limited heterogeneous networks. This could be achieved by providing three promising features, which are radio frequency (RF) energy harvesting, improper Gaussian signaling and operating in full-duplex communication mode, i.e., transmit and receive at the same time within the same frequency band. In this paper, we consider these aspects jointly in a multiantenna heterogeneous two-tier-network. Thus, the users in the femto-cell are sharing the scarce resources with the cellular users in the macro-cell and have to cope with the interference from the macro-cell base station as well as the transmitter noise and residual self-interference (RSI) due to imperfect fullduplex operation. Interestingly enough, while these impairments are detrimental from the achievable rate perspective, they are beneficial from the energy harvesting aspect as they carry RF energy. In this paper, we consider this natural trade-off jointly and propose appropriate optimization problems for beamforming and optimal resource allocation. Various receiver structures are employed for both information detection (ID) and energy harvesting (EH) capabilities. The paper aims at characterizing the tradeoff between the achievable rates and harvested energies. Rate and energy maximization problems are thoroughly investigated. Finally, the numerical illustrations demonstrate the impact of the energy harvesting on the achievable rate performance.

연구 동기 및 목표

• 미래 무선 네트워크에서 고속 데이터 전송, 장기적인 에너지 지속 가능성, 간섭 제한 환경에서의 운영을 지원하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 풀드업렉스 통신, RF 에너지 수확, 비정규 가우시안 신호 전송을 통합함으로써 기존 허프드업렉스 시스템의 한계를 극복한다.
• 이중 티어 이종 네트워크에서 매크로- 및 페미토 셀을 고려해 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 간 균형을 이루는 비드포밍 및 자원 할당을 최적화한다.
• 달성 가능한 데이터 전송 속도와 수확된 에너지 간의 트레이드오프를 규명하며, 특히 자기간섭과 동일 대역 간섭을 에너지 원천으로 활용한다.
• 잔여 자기간섭과 노이즈가 정보 복원 및 에너지 수확 성능에 미치는 영향을 조사한다.

제안 방법

• 풀드업렉스 매크로- 및 페미토 기지국을 갖춘 이중 티어 이종 네트워크에서 비드포밍 및 자원 할당을 위한 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 풀드업렉스 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 성능을 향상시키기 위해 비정규 가우시안 신호 전송을 적용한다.
• 잔여 자기간섭(RSI)과 동일 대역 간섭을 사용자에서 에너지 수확을 위한 RF 에너지 원천으로 모델링한다.
• 페미토 사용자에서 동시에 정보 복원(ID)과 에너지 수확(EH)을 수행할 수 있는 하이브리드 수신기 구조를 설계한다.
• 품질보증(QoS) 및 전력 제약 조건 하에서 비율 극대화 및 에너지 수확 극대화 문제를 해결하기 위해 볼록 최적화 기법을 사용한다.
• 정보 전송 속도와 수확된 에너지 간의 트레이드오프 평가를 위해 다양한 수신기 구성 구성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀드업렉스 시스템에서 잔여 자기간섭과 동일 대역 간섭은 스펙트럼 효율성을 떨어뜨리지 않으면서 에너지 수확을 향상시키기 위해 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ2 이종 이중 티어 네트워크에서 달성 가능한 데이터 전송 속도와 수확된 에너지 간 트레이드오프를 최적화하는 비드포밍 및 자원 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 정보 복원(ID)과 에너지 수확(EH)을 동시에 수행하는 다양한 수신기 구조는 비율과 에너지 간 성능 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 잔여 자기간섭은 풀드업렉스 네트워크에서 동시 비율-에너지 최적화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 풀드업렉스 이종 네트워크에서 간섭을 해로운 요소에서 유익한 에너지 원천으로 전환할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 일般적으로 결함으로 간주되는 잔여 자기간섭과 동일 대역 간섭은 RF 에너지 수확을 위한 효과적인 에너지 원천으로 활용될 수 있다.
• 제안된 비드포밍 및 자원 할당 전략은 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 성능 간 트레이드오프를 크게 향상시킨다.
• 비드포밍과 자원 할당의 공동 최적화를 통해 데이터 전송 속도와 에너지 수확 성능를 동시에 향상시킬 수 있다.
• 수치 결과는 에너지 수확 능력 향상이 특히 간섭 제한 환경에서 전체 시스템 성능을 향상시킨다는 것을 보여준다.
• 비정규 가우시안 신호 전송을 사용함으로써 스펙트럼 효율성이 향상되면서도 에너지 수확을 지원할 수 있어 두 목표 간 상호보완성이 입증된다.
• 수신기 설계는 비율-에너지 트레이드오프에 중대한 영향을 미치며, 하이브리드 ID/EH 구조는 전통적 수신기보다 공동 최적화 시나리오에서 뛰어난 성능을 보인다.