[논문 리뷰] Spectral Efficient Optimization in OFDM Systems with Wireless Information and Power Transfer

Derrick Wing Kwan Ng, Robert Schober|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 02.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성과 에너지 수확을 균형 있게 유지하기 위해 전력 분할 수신기를 사용하는 OFDM 시스템에서 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 위한 최적 및 부분 최적 전력 할당 알고리즘을 제안한다. 최적 알고리즘은 볼록 최적화와 일차원 검색을 활용하여 최소 에너지 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 최대화하며, 두 가지 저복잡도 부분 최적 알고리즘은 계산 비용을 감소시키면서도 거의 최적 성능을 달성한다.

ABSTRACT

This paper considers an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) point-to-point wireless communication system with simultaneous wireless information and power transfer. We study a receiver which is able to harvest energy from the desired signal, noise, and interference. In particular, we consider a power splitting receiver which dynamically splits the received power into two power streams for information decoding and energy harvesting. We design power allocation algorithms maximizing the spectral efficiency (bit/s/Hz) of data transmission. In particular, the algorithm design is formulated as a nonconvex optimization problem which takes into account the constraint on the minimum power delivered to the receiver. The problem is solved by using convex optimization techniques and a one-dimensional search. The optimal power allocation algorithm serves as a system benchmark scheme due to its high complexity. To strike a balance between system performance and computational complexity, we also propose two suboptimal algorithms which require a low computational complexity. Simulation results demonstrate the excellent performance of the proposed suboptimal algorithms.

연구 동기 및 목표

• 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 수행하는 OFDM 시스템에서 스펙트럼 효율성을 최대화하는 문제를 다루기.
• 수신기의 에너지 수확을 위해 최소 요구 전력 전달을 보장하는 전력 할당 전략을 설계하기.
• 최적 해법의 높은 계산 복잡도를 해결하기 위해 저복잡도 부분 최적 대안을 제안하기.
• 공유 채널 간섭이 존재하는 느린 fading OFDM 채널에서 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 성능를 균형 있게 맞추기.

제안 방법

• 스펙트럼 효율성을 최대화하는 비볼록 최적화 문제로 전력 할당 문제를 수식화하며, 최소 수확 전력 제약 조건을 포함한다.
• 전력 분할 비율에 대한 일차원 검색과 볼록 최적화 기법을 조합하여 최적 알고리즘을 해결한다.
• 계산 복잡도를 감소시키기 위해 좌표 상승과 볼록 근사 기반의 두 가지 부분 최적 알고리즘을 제안한다.
• 수신기를 전력 분할 하이브리드로 모델링한다: 수신된 전력의 ρi 비율은 정보 복원에 사용되고, 1−ρi 비율은 에너지 수확에 사용된다.
• 스펙트럼 효율성 및 수확 전력 표현식에 신호, 간섭, 노이즈 전력 기여도를 고려한다.
• 각 서브케이너 당 가능 도달률과 에너지 수확 성능를 계산하기 위해 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)과 채널 이득을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 에너지 수확 제약 조건 하에서 동시 정보 및 전력 전송을 수행하는 OFDM 시스템에서 스펙트럼 효율성을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 정보 복원과 에너지 수확을 균형 있게 맞추기 위해 서브케이너 간 최적의 전력 분할 비율 분포는 어떻게 결정되는가?
• RQ3 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 측면에서 최적 알고리즘의 성능는 저복잡도 부분 최적 대안과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 다양한 간섭 수준과 전송 전력 제한 조건이 최적 전력 분할 비율과 시스템 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 SWIPT-OFDM 시스템의 전력 할당에서 계산 복잡도와 시스템 성능 사이의 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 최적 전력 할당 알고리즘은 서브케이너 전역에서 전력 분할 비율과 전송 전력을 함께 최적화하여 가장 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 제안된 두 부분 최적 알고리즘은 최적 해와 몇 퍼센트 내외의 스펙트럼 효율성을 달성하면서도 계산 복잡도가 크게 감소한다.
• 낮은 SINR 환경(예: INR = 20 dB)에서는 부분 최적 알고리즘 2가 다른 알고리즘보다 성능이 열 劣하는 경향이 있는데, 이는 목적 함수 근사 오류로 인한 것이다.
• 최대 전송 전력 P_max이 높을수록 최적 전력 분할 비율 ρi가 증가하며, 특히 고 INR 환경에서 신호 이득과 노이즈/간섭 저하 간 균형을 맞추기 위해 그러한 경향이 뚜렷하다.
• 부분 최적 알고리즘은 최소 전력 전달 요구 조건을 등호로 만족시키기 위해 우선순위를 두어, 최적 해보다 낮은 수확 전력과 스펙트럼 효율성을 보인다.
• 최적 알고리즘의 평균 수확 전력은 P_max에 따라 종형 곡선 형태를 띠며, 중간 전력 수준에서 최고에 도달한다. 반면, 부분 최적 알고리즘은 일관되게 최소 요구 조건을 충족시키기만 하는 수준의 전력을 수확한다.