[论文解读] Harvesting the (Self-)Interference in Heterogeneous Full-Duplex Networks For Joint Rate-Energy Optimization.

Ali Kariminezhad, Aydin Sezgin|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 41被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在异构全双工多天线网络中的联合速率-能量优化框架，其中用户利用自干扰和同频干扰作为能量源，同时管理残余自干扰和噪声。主要贡献在于一种波束成形与资源分配策略，该策略在最大化频谱效率和射频（RF）能量采集的同时，证明了干扰可被利用以增强能量供应而不降低速率性能。

ABSTRACT

Wireless nodes in future communication systems are expected to overcome three barriers when compared to their transitional counterparts, namely to support significantly higher data rates, have long-lasting energy supplies and remain fully operational in interference-limited heterogeneous networks. This could be achieved by providing three promising features, which are radio frequency (RF) energy harvesting, improper Gaussian signaling and operating in full-duplex communication mode, i.e., transmit and receive at the same time within the same frequency band. In this paper, we consider these aspects jointly in a multiantenna heterogeneous two-tier-network. Thus, the users in the femto-cell are sharing the scarce resources with the cellular users in the macro-cell and have to cope with the interference from the macro-cell base station as well as the transmitter noise and residual self-interference (RSI) due to imperfect fullduplex operation. Interestingly enough, while these impairments are detrimental from the achievable rate perspective, they are beneficial from the energy harvesting aspect as they carry RF energy. In this paper, we consider this natural trade-off jointly and propose appropriate optimization problems for beamforming and optimal resource allocation. Various receiver structures are employed for both information detection (ID) and energy harvesting (EH) capabilities. The paper aims at characterizing the tradeoff between the achievable rates and harvested energies. Rate and energy maximization problems are thoroughly investigated. Finally, the numerical illustrations demonstrate the impact of the energy harvesting on the achievable rate performance.

研究动机与目标

• 解决未来无线网络中支持高数据速率、长期能量可持续性以及在干扰受限环境下的运行挑战。
• 通过集成全双工通信、射频能量采集和非高斯信号传输，克服传统半双工系统的局限性。
• 优化波束成形与资源分配，以在具有宏小区和微微小区的两层异构网络中平衡频谱效率与能量采集。
• 表征可实现数据速率与采集能量之间的权衡，特别是利用自干扰和同频干扰作为能量源。
• 研究残余自干扰和噪声对信息解码与能量采集性能的影响。

提出的方法

• 在具有全双工宏基站和微微基站的两层异构网络中，制定波束成形与资源分配的联合优化问题。
• 采用非高斯信号传输以在全双工约束下提升频谱效率和能量采集性能。
• 将残余自干扰（RSI）和同频干扰建模为用户能量采集的射频能量源。
• 设计混合接收结构，使微微用户能够同时进行信息解码（ID）和能量采集（EH）。
• 使用凸优化技术求解在服务质量与功率约束下的速率最大化和能量采集最大化问题。
• 分析多种接收机配置，以评估信息速率与采集能量之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全双工系统中，如何利用残余自干扰和同频干扰来增强能量采集，而不降低频谱效率？
• RQ2 在异构两层网络中，何种波束成形与资源分配策略可优化可实现数据速率与采集能量之间的权衡？
• RQ3 用于联合ID与EH的不同的接收机结构如何影响速率与能量之间的性能权衡？
• RQ4 残余自干扰对全双工网络中联合速率-能量优化有何影响？
• RQ5 在全双工异构网络中，干扰在多大程度上可从有害因素转变为有益的能量源？

主要发现

• 通常被视为干扰的残余自干扰和同频干扰，可被有效利用作为射频能量采集的能量源。
• 所提出的波束成形与资源分配策略显著改善了频谱效率与能量采集增益之间的权衡。
• 波束成形与资源分配的联合优化可同时提升数据速率与能量采集性能。
• 数值结果表明，能量采集能力显著增强了整体系统性能，尤其在干扰受限环境中。
• 采用非高斯信号传输可提升频谱效率，同时支持能量采集，表明两项目标之间存在协同效应。
• 接收机设计显著影响速率-能量权衡，混合ID/EH结构在联合优化场景中优于传统接收机。