[논문 리뷰] Rate-Splitting for Multi-User Multi-Antenna Wireless Information and Power Transfer

Yijie Mao, Bruno Clerckx외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 21.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 MISO SWIPT 네트워크에서 메시지를 공통 및 개인 스트림으로 분할하여 스펙트럼 효율성과 에너지 전송을 향상시키는 레이트 스플릿(RS) 전략을 제안한다. 정보 전달과 에너지 전달을 위한 공통 스트림을 공동으로 조작함으로써, 특히 높은 에너지 제약 조건과 수직 사용자 배치에서 MU-LP 및 NOMA보다 뛰어난 비율-에너지 트레이드오프를 달성한다.

ABSTRACT

In a multi-user multi-antenna Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) network, the transmitter sends information to the Information Receivers (IRs) and energy to Energy Receivers (ERs) concurrently. A conventional approach is based on Multi-User Linear Precoding (MU--LP) where each IR directly decodes the intended stream by fully treating the interference from other IRs and ERs as noise. In this paper, we investigate the application of linearly-precoded Rate-Splitting (RS) in Multiple Input Single Output (MISO) SWIPT Broadcast Channel (BC). By splitting the messages of IRs into private and common parts and encoding the common parts into a common stream decoded by all IRs, RS manages the interference dynamically. The precoders are designed such that the Weighted Sum Rate (WSR) of IRs is maximized under the total transmit power constraint and the sum energy constraint for ERs. Numerical results show that the proposed RS-assisted strategy provides a better rate-energy tradeoff in MISO SWIPT BC. Under a sum energy constraint of ERs, RS-assisted strategy achieves better WSR performance of IRs than MU--LP and NOMA in a wide range of IR and ER deployments. Hence, we draw the conclusion that RS is superior for downlink SWIPT networks.

연구 동기 및 목표

• 정보 수신기와 에너지 수신기가 분리된 다중 사용자 다중 안테나 SWIPT 네트워크에서의 비율-에너지 트레이드오프를 해결하기 위해.
• 전력 제약 조건 하에서 가중합률(WSR)과 에너지 수확을 균형 잡는 데 있어 전통적인 MU-LP 및 NOMA의 한계를 극복하기 위해.
• 전체 전송 전력 제약 조건을 만족하면서 정보 수신기의 WSR을 최대화하는 프리코더를 설계하기 위해.
• 실제 배치 환경에서 RS가 MU-LP 및 NOMA보다 더 나은 비율-에너지 트레이드오프를 달성함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 송신기에서 각 정보 수신기의 메시지를 공통 부분과 개인 부분으로 분할한다.
• 모든 공통 부분을 단일 공통 스트림으로 통합하여 모든 정보 수신기가 디코딩할 수 있도록 한다.
• 공통 스트림, 개인 스트림, 에너지 스트림을 선형 프리코딩을 사용해 동시에 전송하기 위해 프리코딩한다.
• 전력 및 에너지 제약 조건 하에서 비볼록인 WSR 최적화 문제를 해결하기 위해 WMMSE 및 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 알고리즘을 사용한다.
• 정보 수신기에서 개인 스트림을 디코딩하기 전에 공통 스트림을 디코딩하기 위해 순차적 인터패턴 제거(SIC)를 적용한다.
• 각 스트림과 에너지 수신기 전용 빔을 갖춘 MISO 브로드캐스트 채널로 시스템을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 MU-LP 및 NOMA와 비교해 RS가 MISO SWIPT 브로드캐스트 채널에서 비율-에너지 트레이드오프를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 RS의 공통 스트림은 정보와 에너지를 동시에 전송함으로써 어떻게 이중 목적 전송을 가능하게 하고 시스템 성능을 향상시키는가?
• RQ3 에너지 요구량이 높고 수신기가 수직 또는 비대칭 구성을 취할 경우 RS의 성능 향상은 어떻게 나타나는가?
• RQ4 총 전송 전력 제약 조건 하에서 공통, 개인, 에너지 스트림 간의 전력 할당은 WSR과 수확된 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 어떤 배치 환경에서 RS가 정보 수신기의 가용 비율 영역 측면에서 MU-LP 및 NOMA를 모두 능가하는가?

주요 결과

• 모든 테스트 환경에서 RS는 MU-LP 및 NOMA보다 더 큰 가중합률(WSR)을 달성하며, 높은 에너지 제약 조건 하에서 약 1.63 bit/s/Hz의 WSR 향상(6.96 대 5.33)을 보였다.
• 에너지 수신기(ER)가 두 정보 수신기(IR)로부터 멀리 떨어져 있고 에너지 요구량이 최대에 가까운 경우(35 µW), RS는 MU-LP보다 뚜렷한 성능 향상을 보이며 WSR이 30.7% 향상되었다.
• RS의 공통 스트림은 정보와 에너지를 동시에 수반하므로, 정보 전송 성능을 떨어뜨리지 않고도 이중 목적 빔으로서 에너지 전달을 향상시킬 수 있다.
• 수직 채널 조건(θ = 4π/9)에서도 RS는 공통 스트림이 동시에 데이터와 에너지를 전달할 수 있는 능력 덕분에 MU-LP를 능가한다.
• 채널 강도의 격차가 큰 경우(γ = 0.3), RS는 NOMA 및 MU-LP보다 더 나은 비율 영역을 달성하여 두 기술 간의 성능 격차를 메운다.
• 전력 할당 분석 결과, RS는 공통 스트림에 0.0074 W를 할당하고 전용 ER 빔에는 0 W를 할당하는 반면, MU-LP는 ER 빔에 0.0066 W를 할당하여 IR 데이터 전력이 감소하고 WSR이 열화됨을 확인했다.