[논문 리뷰] Simultaneous Information and Energy Transfer: A Two-User MISO Interference Channel Case

Chao Shen, Tsung-Che Chiang외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 27.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 4인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확 수신기를 갖춘 두 사용자 MISO 간섭 채널에서 동시 정보 및 에너지 전송을 연구하며, 정보 복원과 에너지 수확을 동시에 수행하는 이상적인 방법과, 수신기가 에너지 수확과 정보 검출 모드를 번갈아 사용하는 두 가지 실용적인 TDMA 기반 방법을 제안한다. 놀랍게도 간섭이 지배적인 상황에서는 실용적인 TDMA 방법이 합산 속도 측면에서 이상적인 방법을 능가할 수 있으며, 이는 이상적인 동시 처리가 항상 최적임을 전제로 하는 가정에 도전한다.

ABSTRACT

This paper considers the sum rate maximization problem of a two-user multiple-input single-output interference channel with receivers that can scavenge energy from the radio signals transmitted by the transmitters. We first study the optimal transmission strategy for an ideal scenario where the two receivers can simultaneously decode the information signal and harvest energy. Then, considering the limitations of the current circuit technology, we propose two practical schemes based on TDMA, where, at each time slot, the receiver either operates in the energy harvesting mode or in the information detection mode. Optimal transmission strategies for the two practical schemes are respectively investigated. Simulation results show that the three schemes exhibit interesting tradeoff between achievable sum rate and energy harvesting requirement, and do not dominate each other in terms of maximum achievable sum rate.

연구 동기 및 목표

• 에너지 수확 수신기를 갖춘 두 사용자 MISO 간섭 채널에서 최소 에너지 수확 요구사항을 충족시키면서 합산 속도를 최대화하는 전송 전략을 설계한다.
• 정보 복원과 에너지 수확을 동시에 수행하는 이상적인 경우에 대해 최적의 비드포밍 구조를 분석한다.
• 시간분할 기반의 두 가지 실용적인 방법(TDMA 스킴 A 및 B)을 제안하고 최적화한다. 이들은 에너지 수확과 정보 검출 모드를 번갈아 사용한다.
• 다양한 에너지 수확 요구사항 하에서 가용 합산 속도 측면에서 이상적 방법과 두 실용적 방법의 성능을 비교한다.
• 간섭이 지배적인 무선 네트워크에서 합산 속도와 에너지 수확 성능 간의 트레이드오프를 조사한다.

제안 방법

• 정보 복원과 에너지 수확을 동시에 수행하는 이상적인 경우에 대해 최소 에너지 수확 요구사항 하에서 합산 속도 최대화 문제를 비볼록 최적화 문제로 수식화한다.
• 이상적 방법에서 송신 비드포밍이 최적임을 증명하고, 라그랑주 이중성과 행렬 트레이스 분석을 이용해 최적성의 필요 조건을 유도한다.
• TDMA 스킴 A를 제안하며, 첫 번째 시간 슬롯에서는 두 수신기가 모두 에너지 수확을 수행하고, 두 번째 시간 슬롯에서는 정보 복원을 수행한다. 시간 할당 비율은 볼록 완화를 통해 최적화된다.
• TDMA 스킴 B를 제안하며, 각 시간 슬롯에서 한 수신기는 에너지 수확을 수행하고 다른 수신기는 정보 복원을 수행한다. 시간 할당과 비드포밍을 함께 최적화하기 위해 정수형 프로그래밍(SDP)을 사용한다.
• TDMA 방법의 최적화 문제를 볼록 완화와 CVX 솔버를 사용해 해결하며, 최적의 시간 할당 비율은 전수 탐색 또는 해석적 유도를 통해 확보된다.
• 이중 단계 시뮬레이션 설정을 사용한다: 첫 번째 단계에서는 이상적 방법(P)과 TDMA 스킴 A를 전수 탐색을 통해 해결하고, 두 번째 단계에서는 TDMA 스킴 B에서 비드포밍은 SDP를, 시간 할당은 전수 탐색을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정보 복원과 에너지 수확을 동시에 수행하는 이상적 수신기 모델이 두 사용자 MISO 간섭 채널에서 항상 최고의 합산 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 다양한 에너지 수확 요구사항 하에서 실용적인 시간분할 기반 방법(TDMA 스킴 A 및 B)의 성능은 이상적 방법과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 어떤 조건에서 실용적인 TDMA 방법이 합산 속도 측면에서 이상적 방법을 능가하는가?
• RQ4 간섭이 지배적인 상황에서 이상적 및 실용적 전송 방법 간의 상대적 성능은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 합산 속도와 에너지 수확 능력 사이에 성능 트레이드오프가 존재하는가? 그리고 다양한 방법들은 이 트레이드오프를 어떻게 균형 잡는가?

주요 결과

• 간섭이 지배적인 상황(예: 낮은 노이즈 전력의 채널 실현 2)에서는 TDMA 스킴 A가 이상적 방법(P)보다 높은 합산 속도를 달성한다. 이는 이상적인 동시 처리가 항상 최적임을 전제로 하는 기대와 배치된다.
• 한 수신기가 다른 수신기보다 훨씬 더 많은 에너지를 필요로 할 경우, TDMA 스킴 B는 그 적응형 시간 할당 덕분에 TDMA 스킴 A를 능가한다.
• 이상적 방법, TDMA 스킴 A, TDMA 스킴 B는 합산 속도 측면에서 상호 우월성을 가지지 않으며, 상대적 성능은 에너지 수확 요구사항과 채널 조건에 따라 달라진다.
• 채널 실현 1(중간 정도의 간섭)에서는 이상적 방법(P)이 항상 TDMA 스킴 A보다 높은 합산 속도를 달성한다. 이는 간섭이 지배적이지 않을 경우 이상적 처리가 유리함을 확인한다.
• 시뮬레이션 결과는 모든 세 가지 방법에서 비드포밍이 최적임을 보여주며, 제안된 최적화 방법이 볼록 완화와 SDP를 활용해 기저의 비볼록 문제를 효율적으로 해결함을 보여준다.
• 에너지 수확 요구사항이 덜 엄격해질수록 이상적 방법과 실용적 방법 간의 성능 격차가 줄어들지만, 고간섭 환경에서는 실용적 방법이 이상적 방법을 능가할 수 있다.