[论文解读] Beamforming for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer in Two-Way Relay Channels

Wei Wang, Rui Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 22被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种用于双向中继网络中同时无线信息与能量传输（SWIPT）的波束成形与功率分配（PS）优化框架，采用放大转发（AF）、DF-XOR和DF-SUP中继策略。通过将非凸问题解耦为波束成形与PS比例子问题，该方法在满足服务质量（QoS）和中继发射功率约束下实现了最优能量采集，数值结果表明通过自适应策略与加权因子选择可显著提升性能。

ABSTRACT

This paper studies simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems in two-way relaying (TWR) channels. Here, two source nodes receive information and energy simultaneously via power splitting (PS) from the signals sent by a multi-antenna relay node. Our objective is to maximize the weighted sum of the harvested energy at two source nodes subject to quality of service (QoS) constraints and the relay power constraints. Three well-known and practical two-way relay strategies are considered, i.e., amplify-and-forward (AF), bit level XOR based decode-and-forward (DF-XOR) and symbol level superposition coding based DF (DF-SUP). For each relaying strategy, we formulate the joint energy transmit beamforming and PS ratios optimization as a nonconvex quadratically constrained problem. To find a closed-form solution of the formulated problem, we decouple the primal problem into two subproblems. In the first problem, we intend to optimize beamforming vector for a given PS ratio. In the second subproblem, we optimize the PS ratio with a given beamforming vector. It is worth noting that although the corresponding subproblem are nonconvex, the optimal solution of each subproblem can still be found by using certain techniques. We provide numerical results that demonstrate the advantage of adapting the different relaying strategies and weighted factors to harvest energy in two-way relaying channel.

研究动机与目标

• 通过多天线中继实现信息与能量的并行传输，解决双向中继网络中能量受限源节点的挑战。
• 设计联合波束成形与功率分配（PS）比例优化框架，以最大化两个源节点的采集能量。
• 在优化过程中确保服务质量（QoS）约束与中继发射功率限制得到满足。
• 在SWIPT框架下研究三种实用中继策略——AF、DF-XOR与DF-SUP，比较其性能权衡。
• 提出一种解耦优化方法，通过分别优化波束成形向量与PS比例，求解非凸问题。

提出的方法

• 针对每种中继策略（AF、DF-XOR、DF-SUP），将联合波束成形与PS比例优化建模为非凸二次约束问题。
• 将原始问题分解为两个子问题：在PS比例固定时优化波束成形，以及在波束成形向量固定时优化PS比例。
• 应用解析技术求解每个非凸子问题，并推导出最优波束成形向量与PS比例的闭式解。
• 利用信干噪比（SINR）约束与功率预算约束，推导最优PS比例的表达式，确保 $0 < \rho^* < 1$。
• 通过SINR约束的等价变换，将最优PS比例表示为由单个用户QoS需求导出的两个上界中的最小值。
• 通过数值结果验证解的正确性，比较不同中继策略与加权因子下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在满足QoS与功率约束条件下，如何联合优化波束成形与功率分配比例，以最大化双向中继SWIPT系统中的能量采集？
• RQ2 在能量采集与频谱效率方面，采用不同中继策略（AF、DF-XOR、DF-SUP）能带来多大的性能增益？
• RQ3 自适应选择加权因子如何影响SWIPT增强型双向中继系统中能量采集与系统吞吐量之间的权衡？
• RQ4 在每种中继策略下，非凸优化问题中波束成形向量与PS比例的闭式解是什么？
• RQ5 功率预算与QoS约束如何影响SWIPT系统中可行区域与最优PS比例？

主要发现

• 所提出的解耦优化方法在所有三种中继策略（AF、DF-XOR、DF-SUP）下成功推导出波束成形向量与PS比例的闭式解。
• 最优PS比例为 $ \rho^* = \text{min}\big\bracevert 1 - \frac{\tau_1 \boldsymbol{\nu}_{1,c}^2}{E_2 P_2^* - D_2}, 1 - \frac{\tau_2 \boldsymbol{\nu}_{2,c}^2}{G_2 P_1^* - F_2} \big\bracevert $，确保同时满足QoS与PS约束。
• 数值结果表明，自适应选择中继策略与加权因子可显著提升双向中继SWIPT系统的能量采集性能。
• 在功率与QoS约束下，最优波束成形与PS比例选择相比固定或非自适应方案，能实现更高的能量采集。
• 该解在各种信道条件下均具有鲁棒性，最优PS比例取决于SINR要求与中继功率分配。
• 推导出目标函数存在最大值的条件，要求 $ a_2 - a_3 > 0 $ 且 $ a_2 - a_3 < -a_1 $，以确保 $ \rho^* $ 的可行且有界的解。