[논문 리뷰] Multi-Objective Beamforming for Energy-Efficient SWIPT Systems

Shiyang Leng, Derrick Wing Kwan Ng외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 20.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 채널 상태 정보와 안테나 당 회로 전력 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 효율성을 동시에 최적화하는 에너지 효율적인 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 시스템을 위한 다목적 beamforming 프레임워크를 제안한다. 비볼록 문제는 랭크 제약을 가진 준정수계획법으로 변환되어 SDP 완화를 통해 해결되며, 이로 인해 정보 효율성과 에너지 효율성 사이의 트레이드오프가 드러나며, 다중 송신 안테나에 의해 완화됨을 확인할 수 있다.

ABSTRACT

In this paper, we study the resource allocation algorithm design for energy-efficient simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems. The considered system comprises a transmitter, an information receiver, and multiple energy harvesting receivers equipped with multiple antennas. We propose a multi-objective optimization framework to study the trade-off between the maximization of the energy efficiency of information transmission and the maximization of wireless power transfer efficiency. The proposed problem formulation takes into account the per antenna circuit power consumption of the transmitter and the imperfect channel state information of the energy harvesting receivers. The adopted non-convex multi-objective optimization problem is transformed into an equivalent rank-constrained semidefinite program (SDP) and optimally solved by SDP relaxation. Numerical results unveil an interesting trade-off between the considered conflicting system design objectives and reveal the benefits of multiple transmit antennas for improving system energy efficiency.

연구 동기 및 목표

• SWIPT 시스템에서 정보 전송의 에너지 효율성을 극대화하고 무선 전력 전송 효율성을 극대화하는 충돌하는 설계 목표를 해결하기 위해.
• 실제 시스템 모델링을 위해 송신기에서의 안테나 당 회로 전력 소비와 불완전한 채널 상태 정보를 통합하기 위해.
• 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 효율성을 다중목적 최적화를 통해 균형 잡는 공동 자원 할당 알고리즘 개발을 위해.
• 비볼록 다중목적 문제에 대해 준정수계획법 완화를 통해 최적 해를 제공하기 위해.
• 정보 효율성과 에너지 효율성 사이의 트레이드오프를 정량화하고 다중 송신 안테나가 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 정보 전송의 에너지 효율성과 에너지 전송 효율성을 동시에 극대화하는 비볼록 다중목적 최적화 문제를 수립한다.
• 라그랑주 이중성과 카룩-쿤-터커(KKT) 조건을 이용해 문제를 동치의 랭크 제약을 가진 준정수계획법(SDP)으로 변환한다.
• 해결 가능성을 확보하기 위해 SDP 완화를 적용하며, 랭크-일치 beamforming 구조에서 최적성이 보장된다.
• 보완성 조건과 행렬 랭크 분석을 통해 최적 beamforming 구조를 유도하며, 정보 에너지 효율성을 우선시할 경우 오직 정보 beam만 사용됨을 보여준다.
• 이중 변수와 행렬 분해를 활용해 정보 전송을 위한 beamforming 행렬이 양대 목적이 활성화되어 있을 경우 항상 랭크-일치임을 밝혀낸다.
• 두 단계 최적화를 적용한다: 먼저 완화된 SDP를 풀고, 그 다음 랭크 최소화를 통해 랭크-일치 해를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SWIPT 시스템에서 정보 에너지 효율성을 극대화하고 무선 전력 전송 효율성을 극대화할 때의 기본적인 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ2 송신기에서의 불완전한 채널 상태 정보가 SWIPT 시스템의 에너지 효율적 beamforming 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 정보 및 에너지 효율성을 함께 극대화할 경우 최적의 beamforming 구조는 무엇인가?
• RQ4 안테나 당 회로 전력 소비는 시스템의 총 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다중 송신 안테나는 SWIPT 시스템에서 정보 효율성과 에너지 효율성 간의 트레이드오프를 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 정보 에너지 효율성 극대화와 무선 전력 전송 효율성 극대화 사이에는 단순한 해결책이 없는 비트리비얼한 트레이드오프가 존재한다.
• 양대 목적이 고려될 경우 최적의 beamforming 해는 오직 하나의 정보 beam만을 요구하며, 에너지 beam 행렬은 0으로 설정된다.
• 양대 목적이 활성화되어 있을 경우 정보 전송을 위한 beamforming 행렬은 항상 랭크-일치이며, 이는 최적의 에너지 효율성을 보장한다.
• 제안된 SDP 완화 방법은 최적 해를 도출하며, 이중 변수 행렬의 랭크는 beamforming 구조를 나타낸다.
• 다중 송신 안테나는 정보 전송과 에너지 전송 간의 트레이드오프 관리 능력을 향상시켜 시스템 에너지 효율성을 크게 향상시킨다.
• 수치 결과는 제안된 방법이 단일 목표 벤치마크 대비 뛰어난 성능을 달성하며, 특히 고SNR 영역에서 두드러진 성능 향상을 보임을 확인한다.