[논문 리뷰] Transceiver Design for Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access Systems with Wireless Energy Transfer

Ruijin Sun, Ying Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 27.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 무선 에너지 수확 기능을 갖춘 협업 비직교 다중접근(NOMA) 시스템을 위한 수신기 설계를 제안한다. 여기서 강한 사용자(R)는 약한 사용자(D)의 서비스 품질(QoS)을 향상시키기 위해 에너지 수확 기반 디코딩-포워딩 중계자로 기능한다. QoS 및 전력 제약 조건 하에서 범용형 조절, 전력 분할 비율, 수신기 필터링을 공동 최적화함으로써, R의 데이터 전송률을 최대화하면서도 D의 전송률 요구사항을 충족시키는 방식이다. 이는 직접 전송 대비 상당한 아웃지 전력 성능 향상을 이룩하며, 특히 중계기의 안테나 수가 증가할수록 유의미한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, an energy harvesting (EH) based cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) system is considered, where node S simultaneously sends independent signals to a stronger node R and a weaker node D. We focus on the scenario that the direct link between S and D is too weak to meet the quality of service (QoS) of D. Based on the NOMA principle, node R, the stronger user, has prior knowledge about the information of the weaker user, node D. To satisfy the targeted rate of D, R also serves as an EH decode-and-forward (DF) relay to forward the traffic from S to D. In the sense of equivalent cognitive radio concept, node R viewed as a secondary user assists to boost the performance of D, in exchange for receiving its own information from S. Specifically, transmitter beamforming design, power splitting ratio optimization and receiver filter design to maximize node R rate are studied with the predefined QoS constraint of D and the power constraint of S. Since the problem is non-convex, we propose an iterative approach to solve it. Moreover, to reduce the computational complexity, a zero- forcing (ZF) based solution is also presented. Simulation results demonstrate that, both two proposed schemes have better performance than the direction transmission.

연구 동기 및 목표

• 강한 사용자가 약한 사용자에게 신호를 중계함으로써 발생하는 고전력 소모로 인한 에너지 부족 문제를 해결하기 위해.
• 중계 노드 R에서 RF 에너지 수확을 통해 정보 및 에너지를 동시에 전송함으로써 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시키기 위해.
• 전체 전력 및 QoS 제약 조건 하에서 약한 사용자 D의 최소 전송률 요구사항을 충족시키면서 강한 사용자 R의 데이터 전송률을 최대화하기 위해.
• 실제 구현을 위한 낮은 복잡도 솔루션, 특히 제로포싱(ZF) 기반 범용형 조절 기법을 개발하기 위해.
• 실제 채널 조건 및 전력 제약 조건 하에서 광범위한 시뮬레이션을 통해 시스템 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• D의 QoS 및 S의 총 전력 제약 조건 하에서 R의 전송률을 최대화하기 위해 송신기 범용형 조절 벡터, 전력 분할 비율, 수신기 필터를 공동 설계하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 고정점 반복 기반으로 반복 알고리즘을 적용하여 비볼록 문제를 해결하며, 범용형 조절, 전력 분할, 수신기 필터를 번갈아 최적화한다.
• 의도된 신호 간 간섭 제거를 위해 제로포싱(ZF) 기반 범용형 조절 기법을 제안하여 계산 복잡도를 감소시킨다.
• R이 보조 사용자로서 S로부터 자신의 데이터를 수신하면서 D의 신호를 중계하는 등가 인지 라디오 모델을 적용한다.
• R에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 통해 D의 신호를 디코딩한 후 포워딩하기 위해 에너지 도메인 다중접속 기법을 적용한다.
• 고정 효율(η = 0.8)을 가진 에너지 수확 과정을 모델링하며, R은 수신 신호를 정보 디코딩 및 에너지 수확 스트림으로 분할한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확 기반 협업 NOMA 시스템에서, 어떻게 범용형 조절과 전력 분할을 공동 최적화하여 중계 사용자의 전송률을 극대화할 수 있는가?
• RQ2 약한 사용자 D의 아웃지 확률 측면에서, 제안된 기법이 직접 전송 대비 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 중계기 R의 안테나 수를 증가시킬 경우, D의 아웃지 확률 및 R의 데이터 전송률 측면에서 시스템 성능는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 ZF 기반 범용형 조절 기법은 최적 반복 솔루션의 성능을 어느 정도 근사하는가?
• RQ5 특히 D의 전송률 요구사항이 높을 경우, ZF 기법이 얼마나 near-optimal 성능을 달성하는가?

주요 결과

• 제안된 최적 반복 기법은 고전력 전송 조건에서 직접 전송 대비 D 노드의 아웃지 확률을 상당히 낮춘다.
• D의 전송률 요구사항이 높을 경우, ZF 기반 범용형 조절 기법이 최적 기법과 거의 동일한 아웃지 성능을 달성한다. 이는 D의 범용형 조절 벡터에 거의 전체 전력가 할당되기 때문이다.
• R의 안테나 수가 증가할수록 D의 아웃지 확률이 크게 감소하며, 이는 공간 다양성의 이점을 보여준다.
• S의 전송 전력이 증가함에 따라 R의 전송률 영역이 크게 확장되며, D의 전송률 요구사항이 높아질수록 최적 기법과 ZF 기법 간의 성능 격차가 줄어든다.
• 최적 기법은 전송률 영역 커버리지에서 ZF 기법을 능가하지만, ZF 기법은 성능와 복잡도 사이에 강력한 트레이드오프를 제공한다.
• 시뮬레이션 결과는 동일한 전력 및 QoS 제약 조건 하에서, 제안된 두 기법(최적 및 ZF)이 직접 전송 대비 신뢰성 및 스펙트럼 효율 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보임을 확인한다.