[논문 리뷰] Joint Beamforming And Power Splitting For Multi-User MISO SWIPT System

Qingjiang Shi|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 30.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 MISO SWIPT 시스템에서 신호 대 간섭 및 잡음 비율(SINR) 및 에너지 수확 제약 조건을 만족시키면서 기지국(BS)의 전송 전력을 최소화하기 위해 최적의 동시 비례형 및 전력 분할(PS) 설계를 제안한다. 준정적완화(SDR) 기법을 활용하여 전역 최적성을 확보하고, ZF 및 SINR 최적 비례형 기반의 저복잡도 부분최적 해법을 추가로 제안한다.

ABSTRACT

This paper studies a multi-user multiple-input single-output (MISO) downlink system for simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT), in which a set of single-antenna mobile stations (MSs) receive information and energy simultaneously via power splitting (PS) from the signal sent by a multi-antenna base station (BS). We aim to minimize the total transmission power at BS by jointly designing transmit beamforming vectors and receive PS ratios for all MSs under their given signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints for information decoding and harvested power constraints for energy harvesting. First, we derive the sufficient and necessary condition for the feasibility of our formulated problem. Next, we solve this non-convex problem by applying the technique of semidefinite relaxation (SDR). We prove that SDR is indeed tight for our problem and thus achieves its global optimum. Finally, we propose two suboptimal solutions of lower complexity than the optimal solution based on the principle of separating the optimization of transmit beamforming and receive PS, where the zero-forcing (ZF) and the SINR-optimal based transmit beamforming schemes are applied, respectively.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 MISO 다운링크 SWIPT 시스템에서 다중 안테나 기지국(BS)의 총 전송 전력을 최소화하는 것.
• 단일 안테나 이동국(MS)의 전송 비례형 벡터와 수신 전력 분할(PS) 비율을 동시에 설계하는 것.
• 정보 복원(SINR) 및 에너지 수확(수확된 전력)에 대한 각 MS의 품질보증(QoS) 요구사항을 충족시키는 것.
• 합동 최적화 문제의 타당성 조건을 설정하는 것.
• 비례형 및 PS 최적화를 분리하여 별도로 처리함으로써 복잡도를 낮춘 저복잡도 부분최적 해법을 개발하는 것.

제안 방법

• SINR 및 수확된 전력 제약 조건 하에서 BS 전송 전력을 최소화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 최적화 문제의 타당성에 대한 필요 및 충분 조건을 유도한다.
• 문제에 준정적완화(SDR)를 적용하고, 완화가 타당하여 전역 최적성을 보장함을 증명한다.
• 복잡도를 낮추기 위해 최적화된 PS 비율과 함께 제로포싱(ZF) 비례형 기반의 부분최적 해법을 제안한다.
• 성능 향상을 위해 최적화된 PS 비율과 함께 SINR 최적 비례형 기반의 두 번째 부분최적 해법을 제안한다.
• 비례형 및 PS 최적화 문제를 순차적으로 해결함으로써 합동 설계를 분리하여 계산 비용을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 사용자 MISO SWIPT 시스템에서 동시 비례형 및 전력 분할의 타당성에 대한 필수 및 충분 조건은 무엇인가?
• RQ2 준정적완화(SDR)는 이 SWIPT 환경에서 비볼록 전력 최소화 문제의 전역 최적해를 달성할 수 있는가?
• RQ3 복잡도가 감소한 부분최적 해법과 비교할 때, SDR 기반 최적 해법의 성능는 어떻게 되는가?
• RQ4 동일한 시스템에서 ZF 비례형과 SINR 최적 비례형인 부분최적 해법 간의 성능 차이는 어떠한가?
• RQ5 비례형 및 PS 비율의 합동 최적화를 성능 손실이 크지 않은 수준에서 효과적으로 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 SDR 기반 방법은 완화가 타당하여 비볼록 전력 최소화 문제에 대해 전역 최적해를 달성한다.
• 합동 비례형 및 PS 설계의 타당성 조건이 도출되었으며, 이는 필수 및 충분 조건임을 입증하였다.
• ZF 비례형 기반 부분최적 해법은 최적 해법 대비 더 높은 전송 전력이지만 계산 복잡도가 낮다.
• SINR 최적 비례형 기반 부분최적 해법은 ZF 기반 해법보다 더 뛰어난 성능를 달성하면서도 복잡도를 낮춘 상태를 유지한다.
• 비례형 및 PS 비율 최적화를 분리한 접근법은 성능와 복잡도 사이에 실용적인 트레이드오프를 제공한다.
• 최적 해법은 모든 MS가 동시에 SINR 및 에너지 수확 요구사항을 충족시킴을 보장한다.