[논문 리뷰] Simultaneous Wireless Information and Power Transfer for Two-hop OFDM Relay System

Xiaofei Di, Ke Xiong외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 01.

Energy Harvesting in Wireless NetworksEngineering참고 문헌 16인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 지원하는 이중호프 OFDM 디코딩-포워딩 중계 시스템을 위한 자원 할당 방식을 제안한다. 중계기는 전송 소스의 RF 신호로부터 에너지를 수확한다. 이 방식은 전력 할당, 서브밴드 쌍지기 및 전력 분할 비율을 동시에 최적화하여 총 가용 전송률을 극대화한다. 시뮬레이션 결과는 뚜렷한 성능 향상을 보이며, 핵심 통찰으로는 에너지 수확 중계기를 기존 중계기보다 소스에 더 가까이 놓아야 최적의 성능을 얻을 수 있다는 것이다.

ABSTRACT

This paper investigates the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) for two-hop orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) decode-and-forward (DF) relay communication system, where a relay harvests energy from radio frequency signals transmitted by the source and then uses the harvested energy to assist the information transmission from the source to its destination. The power splitting receiver is considered at the relay, which splits the received signal into two power streams to perform information decoding (ID) and energy harvesting (EH) respectively. For better understanding the behavior and exploring the performance limit of such a system, resource allocation is studied to maximize the total achievable transmission rate. An optimization problem, which jointly takes into account the power allocation, the subcarrier pairing and the power splitting, is formulated. Due to its non-convexity, a resource allocation policy with low complexity based on separation principle is designed. Simulation results show that the system performance can be significantly improved by using our proposed policy. Moreover, the system performance behavior to the relay position is also discussed, and results show that in the two-hop OFDM system with EH relay, the relay should be deployed near the source, while in that with conventional non-EH relay, it should be deployed at the middle between the source and the destination.

연구 동기 및 목표

• OFDM 중계 시스템에서 에너지 제약이 있는 중계 노드의 문제를 해결하기 위해 RF 신호로부터 에너지를 수확할 수 있도록 하는 것.
• 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 지원하는 이중호프 OFDM 디코딩-포워딩 중계 시스템의 성능 한계를 조사하는 것.
• 최대 가용 전송률을 달성하기 위해 전력 할당, 서브밴드 쌍지기 및 전력 분할 비율을 동시에 최적화하는 저복잡도 자원 할당 정책을 설계하는 것.

제안 방법

• 소스, 에너지 수확(EH) 중계기, 수신단으로 구성된 이중호프 OFDM 중계 시스템을 모델링하며, 디코딩-포워딩(DF) 중계 방식을 적용한다.
• 중계기에서 수신한 RF 신호를 정보 복원(ID)과 에너지 수확(EH)을 위한 두 개의 신호 스트림으로 전력 분할(PS)을 적용한다.
• 전력 할당, 서브밴드 쌍지기 및 전력 분할 비율을 동시에 최적화하여 총 가용 전송률을 극대화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 최적화 문제의 비볼록성에 대응하기 위해 분리 원리 기반의 저복잡도 자원 할당 정책을 개발한다.
• 다중 서브밴드 케이스에서 채널 이득 기반의 정렬된 쌍지기 규칙이 최적임을 모순 증명을 통해 증명한다.
• 이중 서브밴드 케이스에서 전력 할당에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하고, 부등식 분석을 통해 다양한 경우에서의 최적성 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SWIPT를 지원하는 이중호프 OFDM 중계 시스템에서 에너지 수확 중계기의 위치가 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 SWIPT 기반 OFDM 중계 시스템에서 전력 할당, 서브밴드 쌍지기 및 전력 분할 비율을 동시에 최적화하는 최적의 자원 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 비볼록 SWIPT-OFDM 중계 시스템에서 저복잡도 자원 할당 정책이 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 채널 이득 기반의 정렬된 서브밴드 쌍지기가 이 설정에서 시스템의 가용 전송률을 극대화하는가?

주요 결과

• 제안된 저복잡도 자원 할당 정책은 기준 기반 방식 대비 시스템의 총 가용 전송률을 크게 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 최적의 서브밴드 쌍지기가 채널 이득 내림차순 기반의 정렬된 쌍지기 규칙을 따름을 확인한다.
• 에너지 수확 기반 시스템에서는 기존의 비-EH 중계기가 중간 지점에서 최적 성능을 내는 것과 달리, 중계기를 소스에 더 가까이 놓아야 성능을 극대화할 수 있다.
• 이중 서브밴드 케이스에서는 최적 전력 할당에 대한 폐쇄형 해를 유도하였으며, 모든 가능한 경우에서 최적임을 증명하였다.
• 전력 할당, 서브밴드 쌍지기 및 전력 분할 비율의 통합 최적화로 인한 성능 향상은 크며, SWIPT-OFDM 중계 시스템에서 통합 설계의 가치를 입증한다.
• 분석을 통해 비정렬 서브밴드 쌍지기 방식은 낮은 가용 전송률을 초래함을 증명하였으며, 정렬된 쌍지기 규칙의 최적성은 확인되었다.