[논문 리뷰] Receiver Antenna Partitioning for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

Rahul Vaze, Jainam Doshi외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 06.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 수신기가 정보 수신 또는 에너지 수확 중 하나로 수신 안테나를 동적으로 할당하는 MIMO 시스템에서 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 위한 최적의 안테나 분할 기법을 제안한다. 문제를 매트로이드 제약 조건 하에 하위모듈러 함수를 최대화하는 것으로 모델링함으로써, 저자들은 최적 해의 (1−1/e) 및 1/2 이내의 성능을 보장하는 근사 알고리즘을 설계하였으며, 시뮬레이션에서 최악의 경우 이론적 한계를 크게 뛰어넘었다.

ABSTRACT

Powering mobiles using microwave \emph{power transfer} (PT) avoids the inconvenience of battery recharging by cables and ensures uninterrupted mobile operation. The integration of PT and \emph{information transfer} (IT) allows wireless PT to be realized by building on the existing infrastructure for IT and also leads to compact mobile designs. As a result, \emph{simultaneous wireless information and power transfer} (SWIPT) has emerged to be an active research topic that is also the theme of this paper. In this paper, a practical SWIPT system is considered where two multi-antenna stations perform separate PT and IT to a multi-antenna mobile to accommodate their difference in ranges. The mobile dynamically assigns each antenna for either PT or IT. The antenna partitioning results in a tradeoff between the MIMO IT channel capacity and the PT efficiency. The optimal partitioning for maximizing the IT rate under a PT constraint is a NP-hard integer program, and the paper proposes solving it via efficient greedy algorithms with guaranteed performance. To this end, the antenna-partitioning problem is proved to be one that optimizes a sub-modular function over a matroid constraint. This structure allows the application of two well-known greedy algorithms that yield solutions no smaller than the optimal one scaled by factors $(1-1/e)$ and 1/2, respectively.

연구 동기 및 목표

• SWIPT 시스템에서 전력 전송(PT) 제약 조건 하에 정보 전송(IT) 용량을 최대화하는 데 도전하는 것.
• 복잡한 전력 분할을 피하기 위해 각 이동 수신기 안테나를 IT 또는 PT 중 하나로 전적으로 할당하는 실용적인 안테나 분할 기법을 설계하는 것.
• 하위모듈러 최적화를 활용하여 안테나 분할 문제의 이론적 성능 보장을 수립하는 것.
• 기존의 단일 입력 다중 출력(SIMO) SWIPT 연구를 수신기(예: CSIR) 및 송신기(예: CSIT)의 완전한 채널 상태 정보를 가진 일반적인 MIMO 경우로 확장하는 것.
• SWIPT에서 NP-완전한 정수계획문제에 대해 증명 가능하고 근사 비율을 보장하는 효율적인 알고리즘을 제공하는 것.

제안 방법

• SWIPT 안테나 분할 문제를 MIMO IT 용량을 최대화하는 정수계획문제로 모델링하며, PT 효율성 제약 조건을 포함한다.
• CSIR 및 CSIT 가정 하에서 상호정보량 목적 함수가 하위모듈러임을 증명함으로써, 근사 최적화 기법의 적용 가능성을 확보한다.
• 회로 전력 제약 조건을 매트로이드 제약 조건으로 식별함으로써, 잘 알려진 하위모듈러 최적화 알고리즘의 적용을 가능하게 한다.
• 연속적 그레디 알고리즘과 피페이징 라운딩(continuous greedy with pipage rounding) 및 단순 그레디 알고리즘을 적용함: 첫 번째는 (1−1/e)-근사 보장을, 두 번째는 1/2-근사 보장을 각각 보장한다.
• 총 전력 제약 조건 하에서 선택된 IT 안테나에 대해 워터필링 전력 분배 기법을 사용하여 최적의 전력 분포를 확보한다.
• 이론적 성능 한계를 유도하고 레이일리 fading 채널 조건 하에서 시뮬레이션을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIMO SWIPT 시스템에서 수신기 안테나를 정보 전송과 전력 전송 간에 최적으로 분할하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 안테나 분할 문제의 계산 복잡도는 무엇이며, 성능 보장을 보장하는 효율적인 해법이 가능한가?
• RQ3 실제 채널 가정 조건 하에서 SWIPT의 상호정보량 표현을 하위모듈러 함수로 모델링할 수 있는가?
• RQ4 SWIPT 안테나 분할 문제에 적용된 그레디 알고리즘에 대해 어떤 근사 보장을 제공할 수 있는가?
• RQ5 제안된 알고리즘이 실제 흩어지는 환경에서 최악의 이론적 한계 대비 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• SWIPT의 안테나 분할 문제는 매트로이드 제약 조건 하에 하위모듈러 함수를 최대화하는 것과 동치임이 증명되었으며, 이는 효율적인 근사 기법의 적용 가능성을 보장한다.
• 연속적 그레디 알고리즘과 피페이징 라운딩을 사용한 해법은 CSIR 및 CSIT 조건 하에서 최적 IT 용량의 (1−1/e) ≈ 63% 이내의 성능을 보장한다.
• 단순 그레디 알고리즘은 최적 해의 최소 50% 이상의 성능을 보장하며, 추가적인 계산 오버헤드 없이 구현 가능하다.
• 시뮬레이션 결과, 두 알고리즘이 모두 레이일리 흩어지는 채널 조건 하에서 이론적 최악의 경우 성능 한계를 크게 뛰어넘었으며, 특히 단순 그레디 알고리즘이 연속적 그레디 + 피페이징 라운딩 방법보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 기존의 전력 분할 기반 또는 이중 모드 안테나 운영을 허용하는 방법보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하였다.
• 다양한 수신기 안테나 수에 걸쳐 일관된 성능 향상이 관찰되었으며, 공정한 비교 유지를 위해 회로 전력 제약 조건을 비례적으로 조정하였다.