[논문 리뷰] Wireless Information and Power Transfer in Multiuser OFDM Systems

Xun Zhou, Rui Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 12.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 시간 분할(TS)을 사용한 TDMA 또는 전력 분할(PS)을 사용한 OFDMA를 통해 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 지원하는 다중 사용자 OFDM 시스템에서 최적의 자원 할당을 제안한다. 주요 기여는 개별 에너지 수확 및 전력 제약 조건 하에서 가중합비율을 최대화하는 볼록 최적화 프레임워크를 제공하며, 높은 에너지 수요가 필요한 경우 PS가 TS보다 우수한 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we study the optimal design for simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in downlink multiuser orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems. For information transmission, we consider two types of multiple access schemes, namely, time division multiple access (TDMA) and orthogonal frequency division multiple access (OFDMA). At the receiver side, due to the practical limitation that circuits for harvesting energy from radio signals are not yet able to decode the carried information directly, each user applies either time switching (TS) or power splitting (PS) to coordinate the energy harvesting (EH) and information decoding (ID) processes. For the TDMA-based information transmission, we employ TS at the receivers; for the OFDMA-based information transmission, we employ PS at the receivers. Under the above two scenarios, we address the problem of maximizing the weighted sum-rate over all users by varying the time/frequency power allocation and either TS or PS ratio, subject to a minimum harvested energy constraint on each user as well as a peak and/or total transmission power constraint. For the TS scheme, by an appropriate variable transformation the problem is reformulated as a convex problem, for which the optimal power allocation and TS ratio are obtained by the Lagrange duality method. For the PS scheme, we propose an iterative algorithm to optimize the power allocation, subcarrier (SC) allocation and the PS ratio for each user. The performances of the two schemes are compared numerically as well as analytically for the special case of single-user setup. It is revealed that the peak power constraint imposed on each OFDM SC as well as the number of users in the system play a key role in the rate-energy performance comparison by the two proposed schemes.

연구 동기 및 목표

• 동시 정보 및 에너지 전송을 지원하는 다중 사용자 OFDM 시스템에서 최적의 전력 및 시간/주파수 자원 할당 전략을 설계한다.
• 정보 전송률을 최대화하면서도 각 사용자에게 최소한의 에너지 수확을 보장하는 데 간극을 해결한다.
• SWIPT 시스템에서 TDMA 기반 시간 분할(TS)과 OFDMA 기반 전력 분할(PS)의 성능을 비교한다.
• 피크 및 총 전력 제약 조건과 개별 에너지 수확 요구 조건 하에서 볼록 최적화 해법을 유도한다.
• 피크 전력 제약 조건 및 사용자 수가 TS 및 PS 방식의 비율-에너지 성능에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 개별 최소 에너지 수확 제약 조건과 총/피크 전력 제약 조건 하에서 가중합비율 최대화 문제를 수립한다.
• TDMA-TS 방식의 경우, 변수 변환을 통해 문제를 볼록형으로 재구성하여 라그랑주 이중성 기반으로 해를 도출한다.
• OFDMA-PS 방식의 경우, 전력 할당, 서브케이너 할당 및 전력 분할 비율을 동시에 최적화하기 위한 반복적 알고리즘을 제안한다.
• 로그함수 형태의 전송률 함수의 시각적 해석을 통해 전력 및 시간/에너지 분할 변수에 대한 전송률 표현의 공동 볼록성을 증명한다.
• 하위기울기 방법과 이중성을 적용하여 볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결한다.
• 단일 사용자 케이스에서 수치적 결과 및 분석적 비교를 통해 성능를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 및 전력 제약 조건 하에서 다중 사용자 OFDM 시스템의 SWIPT에서 TDMA 기반 시간 분할(TS)과 OFDMA 기반 전력 분할(PS) 간 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 각 사용자가 최소 에너지 수확 요구 조건을 충족시키는 동시에 가중합비율을 최대화하는 최적의 전력 및 시간/주파수 자원 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 서브케이너 당 피크 전력 제약 조건과 사용자 수는 TS 및 PS 방식 간의 비율-에너지 트레이드오프에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 TS 기반 방식은 전통적인 TDMA와 동일한 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가, 동시에 효과적인 에너지 수확도 가능할까?
• RQ5 채널 이득 및 에너지 수확 효율성과 같은 시스템 파라미터는 최적의 자원 할당에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• TS 기반 방식은 기존 TDMA와 동일한 스펙트럼 효율성을 확보하지만 에너지 수확이 가능하므로, 낮은 에너지 수요가 필요한 시나리오에 적합하다.
• 높은 에너지 수확 요구 조건이 적용될 경우, 전용 에너지 수확 슬롯으로 인해 TS 방식은 심각한 전송률 저하를 겪는다.
• 높은 에너지 요구 조건이 필요한 경우, 정보 수신과 에너지 수확을 동시에 수행할 수 있는 PS 기반 방식이 TS 기반 방식보다 합비율 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 서브케이너 당 피크 전력 제약 조건이 성능 비교에 상당한 영향을 미치며, 특히 각 서브케이너에 엄격한 전력 제약이 존재할 경우 PS가 더 뛰어난 내구성을 보인다.
• 시스템 내 사용자 수는 PS가 TS보다 성능상의 이점을 가지는 데 핵심적인 역할을 하며, 특히 다수의 사용자가 존재하는 밀도 높은 환경에서 PS의 성능 향상이 두드러진다.
• 제안된 볼록 최적화 프레임워크는 최적의 전력 및 분할 비율 계산을 효율적으로 가능하게 하며, 반복적 알고리즘을 통해 수렴이 보장된다.