[논문 리뷰] Wireless Information and Power Transfer for Multi-Relay Assisted Cooperative Communication

Yuan Liu|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 22.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 22인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 다중 리레이어 협업 네트워크를 위한 분산 전력 분할 기반의 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 가능하게 하는 분산 전력 분할 방식을 제안한다. 복소수 최적화를 통해 종단 간 전송률을 동시에 최대화함으로써 리레이어의 에너지 수확 능력과 정보 복원 성능을 최적화한다. 제안된 DF 및 AF 프로토콜은 기존의 최적 리레이어 선택 및 시간 스위칭 기반 방식에 비해 특히 고 SNR 영역에서 뛰어난 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we consider simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in multi-relay assisted two-hop relay system, where multiple relay nodes simultaneously assist the transmission from source to destination using the concept of distributed space-time coding. Each relay applies power splitting protocol to coordinate the received signal energy for information decoding and energy harvesting. The optimization problems of power splitting ratios at the relays are formulated for both decode-and-forward (DF) and amplify-and-forward (AF) relaying protocols. Efficient algorithms are proposed to find the optimal solutions. Simulations verify the effectiveness of the proposed schemes.

연구 동기 및 목표

• 무선 신호를 통해 정보 및 전력 전송을 동시에 가능하게 하여 에너지 제약이 있는 리레이어 노드의 과제를 해결한다.
• 다중 리레이어에서의 전력 분할 비율 최적화 문제를 수립하고, 복소수 최적화를 통해 디코딩 앤 포워딩(DF) 및 앰플리파이 앤 포워딩(AF) 프로토콜 하에서 종단 간 전송률을 최대화한다.
• 각 리레이어가 국부적인 채널 상태 정보를 사용하여 독립적으로 최적의 전력 분할 비율을 계산할 수 있도록 분산 알고리즘을 설계한다.
• 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성 측면에서 전력 분할이 고 SNR 영역에서 시간 스위칭 기반 방식보다 뛰어나며, 기존의 최적 리레이어 선택 방식에 비해 우월함을 입증한다.

제안 방법

• 원천, 다중 리레이어, 목적지로 구성된 이중호프 리레이어 네트워크를 모델링하며, 원천과 목적지 간 직접 링크가 존재하지 않는다고 가정한다.
• 각 리레이어에서 수신된 RF 신호를 정보 복원용과 에너지 수확용으로 분할하기 위해 전력 분할을 적용한다.
• DF 및 AF 프로토콜 모두에 대해 종단 간 전송률 최대화 문제를 분수형 프로그래밍 문제로 수식화한다.
• 변수 치환을 통해 비볼록 최적화 문제를 복소수 문제로 변환한다: $ x_i = \alpha_i / \phi_2(\alpha_i) $, $ y_i = 1 / \phi_2(\alpha_i) $, 이를 통해 내부점 방법을 이용한 효율적 해법이 가능해진다.
• 각 리레이어가 국부적인 채널 이득 $ h_i $ 및 $ g_i $ 뿐만 아니라 중앙 집중식 제어 없이도 최적의 $ \alpha_i^* $ 를 독립적으로 계산할 수 있도록 분산 알고리즘을 유도한다.
• 전역 수렴성과 계산 효율성을 확보하기 위해 복소수 근사 및 변환 기법을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 리레이어 SWIPT 시스템에서 종단 간 전송률을 최대화하기 위해 다중 리레이어의 전력 분할 비율을 어떻게 공동으로 최적화할 수 있는가?
• RQ2 다중 리레이어 협업 네트워크에서 분산 전력 분할 방식이 기존의 최적 리레이어 선택 방식에 비해 성능 향상은 얼마나 되는가?
• RQ3 다양한 SNR 영역에서 전력 분할 방식은 시간 스위칭 대비 스펙트럼 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 중앙 집중식 조율 없이도 최적의 전력 분할 비율을 분산 방식으로 계산할 수 있는가?
• RQ5 SWIPT 기반 협업 네트워크에서 리레이어의 공간 다이나믹스 및 에너지 수확 능력은 시스템 스루풋에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적화된 전력 분할 비율을 적용한 제안된 DF 및 AF 방식은 기존의 최적 리레이어 선택(BRS) 방식보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보이며, 추가적인 원천 전력 없이도 종단 간 전송률을 높인다.
• 제안된 방식이 BRS에 비해 성능 향상을 보이는 이유는 동일한 원천 신호를 정보 전달과 에너지 공급에 모두 활용함으로써 다중 리레이어의 공간 다이나믹스를 효과적으로 활용했기 때문이다.
• 고 SNR 영역에서는 전력 분할이 시간 스위칭보다 뛰어나며, 저 SNR 영역에서는 반대로 시간 스위칭이 더 우수한 성능를 보여, 단일 리레이어 시스템에서의 이전 연구 결과를 확인한다.
• 제안된 최적화 프레임워크는 각 리레이어가 국부적인 채널 상태 정보만을 사용하여 최적의 전력 분할 비율 $ \alpha_i^* $ 를 독립적으로 계산할 수 있도록 하여 중앙 집중식 제어를 제거한다.
• 변수 치환을 통한 비볼록 문제의 복소수 재구성은 내부점 방법을 활용해 효율적이고 전역 최적해를 도출할 수 있도록 한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방식이 최소한의 신호 전송 오버헤드로 근사 최적 성능를 달성하며, 에너지 제약이 있는 리레이어 네트워크에 실용적으로 적용 가능함을 보여준다.