[논문 리뷰] Joint Transceiver Design Algorithms for Multiuser MISO Relay Systems with Energy Harvesting

Yunlong Cai, Minjian Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 26.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 갖춘 다유저 MISO 리레이 시스템을 위한 공동 수신기 설계 알고리즘을 제안하며, SINR 및 에너지 수확 제약 조건 하에서 총 전송 전력을 최소화하기 위해 비례형 조절, 리레이 증폭, 전력 분할 비율을 최적화한다. 수렴이 보장되는 교대 최적화 기반 알고리즘과 성능을 유지하면서 복잡도를 감소시키는 새로운 스위치드 리레이잉 설계를 도입하였으며, 채널 상태 정보 오차에 대한 강건성을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate a multiuser relay system with simultaneous wireless information and power transfer. Assuming that both base station (BS) and relay station (RS) are equipped with multiple antennas, this work studies the joint transceiver design problem for the BS beamforming vectors, the RS amplify-and-forward transformation matrix and the power splitting (PS) ratios at the single-antenna receivers. Firstly, an iterative algorithm based on alternating optimization (AO) and with guaranteed convergence is proposed to successively optimize the transceiver coefficients. Secondly, a novel design scheme based on switched relaying (SR) is proposed that can significantly reduce the computational complexity and overhead of the AO based designs while maintaining a similar performance. In the proposed SR scheme, the RS is equipped with a codebook of permutation matrices. For each permutation matrix, a latent transceiver is designed which consists of BS beamforming vectors, optimally scaled RS permutation matrix and receiver PS ratios. For the given CSI, the optimal transceiver with the lowest total power consumption is selected for transmission. We propose a concave-convex procedure based and subgradient-type iterative algorithms for the non-robust and robust latent transceiver designs. Simulation results are presented to validate the effectiveness of all the proposed algorithms.

연구 동기 및 목표

• 다유저 MISO 리레이 시스템에서 수신기가 신호를 정보 복원과 에너지 수확 목적으로 분할하는 조건 하에서 총 전송 전력을 최소화하기 위해 설계한다.
• 서비스 품질 및 에너지 수확 제약 조건 하에서 기지국의 비례형 조절 벡터, 리레이 증폭-전달 행렬, 수신기의 전력 분할 비율을 공동으로 최적화한다.
• 반복적인 채널 상태 정보(CSI) 양자화 오차를 해결하기 위해 정수형 프로그래밍 및 S-절차를 활용한 강건한 설계를 개발한다.
• 순열 행렬의 코드북에서 최적의 수신기 조합을 선택하는 스위치드 리레이잉(SR) 기반 설계를 통해 반복 알고리즘의 계산 복잡도를 감소시킨다.

제안 방법

• 수렴이 보장되는 순차적 볼록 근사 기법을 활용해 비례형 조절, 리레이 예비처리, 전력 분할 비율을 반복적으로 최적화하는 교대 최적화(AO) 기반 알고리즘을 개발한다.
• CSI 양자화 오차를 다루기 위해 정수형 프로그래밍(SDR) 및 S-절차를 활용한 강건한 설계를 적용하여 불확실성 하에서도 타당한 해를 확보한다.
• 리레이가 순열 행렬의 코드북에서 각각 잠재적인 수신기 설계와 연관된 최적의 수신기 조합을 선택하는 스위치드 리레이잉(SR) 기반 설계를 제안한다.
• 각 후보에 대해 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 볼록-비볼록 절차(CCCP) 및 서브기울기 기반 알고리즘을 활용해 비례형 조절, 리레이 행렬, 전력 분할 비율을 최적화한다.
• 비볼록 문제를 두 번째 순서 콘형 프로그램(SOCP)으로 재구성하여 효율적인 계산을 가능하게 하며, SINR 및 에너지 수확 제약 조건을 두 번째 순서 콘형 제약 조건으로 표현한다.
• 랜덤화를 통한 랭크-1 복구 기법을 적용해 이완된 해에서 타당한 비례형 조절 벡터를 복구함으로써 설계의 실용성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SINR 및 에너지 수확 제약 조건 하에서 다유저 MISO 리레이 시스템의 공동 수신기 설계 문제를 어떻게 수식화할 수 있으며, 총 전송 전력을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 부정확한 채널 상태 정보 하에서 수신기 설계의 수렴성과 강건성을 확보하기 위한 가장 효과적인 방법은 무엇인가?
• RQ3 스위치드 리레이잉 설계가 반복 최적화 방법에 비해 성능을 유지하면서 계산 복잡도를 상당히 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 전력 분할 비율이 다유저 리레이 시스템에서 정보 복원과 에너지 수확 간의 트레이드오프에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 제안된 SOCP 기반 재구성 방법은 기존의 SDR 및 SOCP 이완 방법과 비교해 성능 및 복잡도 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• AO 기반 알고리즘은 수렴이 보장되며, SINR 및 에너지 수확 제약 조건 하에서 총 전송 전력을 효과적으로 최소화한다.
• SDR 및 S-절차를 활용한 강건한 설계는 CSI 양자화 오차가 존재하는 상황에서도 타당성과 성능을 유지하며 채널 불확실성에 대한 내성을 입증한다.
• 스위치드 리레이잉(SR) 설계는 계산 복잡도를 상당히 감소시키면서 AO 기반 방법과 유사한 성능을 달성하여 실용적 구현에 적합하다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 SR 설계가 신호 전송 오버헤드와 처리 지연을 크게 줄이며 거의 최적의 성능를 달성함을 확인한다.
• SOCP 재구성은 비볼록 문제를 효율적으로 해결할 수 있으며, CCCP 기반 알고리즘이 고신뢰도로 국소 최적해에 수렴한다.
• 랭크-1 복구 기법은 이완된 해에서 타당한 비례형 조절 벡터를 성공적으로 복구하여 설계의 실용적 적용 가능성을 보장한다.