[논문 리뷰] Joint Wireless Information and Energy Transfer in a K-User MIMO Interference Channel

Jaehyun Park, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 25.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 K-사용자 MIMO 간섭 채널에서 무선 정보 및 에너지 동시 전송(JWIET) 프레임워크를 제안한다. 여기서 송신기는 정보 복원(ID)과 에너지 수확(EH)을 위해 복소수 조향을 수행한다. 모든 에너지 송신자에 대해 질량-일차 beamforming 전략을 도입하고, 비율-에너지 무게 조절 최적화를 위한 반복 알고리즘을 제안하며, 간섭과 에너지 수확의 균형을 맞추어 MEB 및 MLB 방법보다 뛰어난 성능을 보이는 신호-누출 및 수확 에너지 비율(SLER)-기반 beamforming 기법을 제안한다. 이는 송신자 수가 증가함에 따라 특히 두각을 나타낸다.

ABSTRACT

Recently, joint wireless information and energy transfer (JWIET) methods have been proposed to relieve the battery limitation of wireless devices. However, the JWIET in a general K-user MIMO interference channel (IFC) has been unexplored so far. In this paper, we investigate for the first time the JWIET in K-user MIMO IFC, in which receivers either decode the incoming information data (information decoding, ID) or harvest the RF energy (energy harvesting, EH). In the K-user IFC, we consider three different scenarios according to the receiver mode -- i) multiple EH receivers and a single ID receiver, ii) multiple IDs and a single EH, and iii) multiple IDs and multiple EHs. For all scenarios, we have found a common necessary condition of the optimal transmission strategy and, accordingly, developed the transmission strategy that satisfies the common necessary condition, in which all the transmitters transferring energy exploit a rank-one energy beamforming. Furthermore, we have also proposed an iterative algorithm to optimize the covariance matrices of the transmitters that transfer information and the powers of the energy beamforming transmitters simultaneously, and identified the corresponding achievable rate-energy tradeoff region. Finally, we have shown that by selecting EH receivers according to their signal-to-leakage-and-harvested energy-ratio (SLER), we can improve the achievable rate-energy region further.

연구 동기 및 목표

• 현대 다중 사용자 무선 시스템에서 중요한 격차인 일반적인 K-사용자 MIMO 간섭 채널(IFC)에서의 공동 무선 정보 및 에너지 전송(JWIET) 솔루션 부족 문제를 해결한다.
• 다중 EH 및 하나의 ID, 다중 ID 및 하나의 EH, 혼합 ID/EH 수신자 구성의 세 가지 다른 수신자 구성에서 JWIET를 조사한다.
• 모든 시나리오에서 최적의 전송 전략에 공통적으로 필요한 조건을 규명하며, 에너지 조향 구조에 집중한다.
• 비율-에너지 무게 조절 최적화를 극대화하기 위해 정보 공분산 행렬과 에너지 조향 전력의 공동 최적화를 위한 반복 알고리즘을 개발한다.
• 특히 간섭 제한 시나리오에서 성능 향상을 위해 SLER 기반 EH 수신자 선택 방법을 제안한다.

제안 방법

• ID 및 EH 모드를 시간 분할 방식으로 운영하는 K-사용자 MIMO IFC에서 JWIET 문제를 수립하며, 동시 작동을 가정하지 않는다.
• 최적 전송에 대한 공통적인 필수 조건 유도: 수신자 구성과 관계없이 모든 에너지 조향 송신자는 질량-일차 beamforming을 사용해야 한다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 반복 알고리즘을 설계하여, 정보 조향 벡터와 에너지 조향 전력의 공동 최적화를 통해 달성 가능한 비율-에너지 영역을 극대화한다.
• 세 가지 조향 전략 도입: 최대 에너지 조향(MEB), 최소 누출 조향(MLB), SLER 최대화 조향. 여기서 SLER는 목적 신호 전력 대 간섭+수확 에너지의 비율로 정의된다.
• SLER 기반 기법에서 일반화된 특이값 분해(GSVD)를 활용해 채널 행렬 쌍의 조합을 통해 조향 벡터를 갱신함으로써 간섭 감소를 위한 조향 기울임을 구현한다.
• 간섭 대 수확 에너지 비율이 유리한 수신자를 우선시하는 SLER 기반 수신자 선택 방법을 제안하여 전체 시스템 성능 향상.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼합 ID 및 EH 수신자를 가진 일반적인 K-사용자 MIMO 간섭 채널에서 JWIET의 최적 전송 전략은 무엇인가?
• RQ2 다른 수신자 구성(단일 ID, 단일 EH, 또는 혼합)에 따라 최적의 에너지 조향 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 모든 K-사용자 MIMO IFC 시나리오에서 최적 JWIET 전략에 대해 통합된 필수 조건을 도출할 수 있는가?
• RQ4 SLER 기반 조향 전략은 MEB 및 MLB 대비 비율-에너지 무게 조절 성능에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 에너지 송신자 수가 증가함에 따라 조향 방향 및 전력 제어는 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 세 시나리오(다중 EH 및 단일 ID, 다중 ID 및 단일 EH, 혼합)에서 최적의 전송 전략은 모두 에너지 송신자에서 질량-일차 beamforming을 요구하며, 이는 공통적인 필수 조건을 확립한다.
• SLER 최대화 조향 기법은 MEB 및 MLB보다 더 넓은 비율-에너지 무게 조절 영역을 달성하며, 정보 전송률과 수확 에너지 간의 균형 잡힌 성능을 제공한다.
• 간섭 제한 시스템(정보 송신자 수가 많을 경우)에서는 최적의 에너지 조향 전략이 MEB에 수렴하며, 에너지 수확을 우선시한다.
• 에너지 송신자 수가 증가함에 따라 조향 조절과 전력 제어가 핵심이 된다. 특히 K가 클수록 GSVD 기반 갱신을 통한 조향 기울임이 성능 향상에 기여한다.
• 제안된 SLER 기반 EH 수신자 선택 방법은 유리한 SLER 값을 가진 수신자를 선택함으로써 달성 가능한 비율-에너지 영역을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과, α = 0.9일 때 SLER 조향에서 조향 방향과 전력의 공동 최적화가 전력만 할당하는 경우보다 성능 향상이著명하며, 특히 (K, K₁) = (5,4)에서 두드러진다. 이는 조향 방향과 전력 최적화의 통합이 중요하다는 것을 시사한다.