[论文解读] Joint Beamforming And Power Splitting For Multi-User MISO SWIPT System

Qingjiang Shi|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种针对多用户MISO SWIPT系统的最优联合波束成形与功率分配（PS）设计，以在信干噪比（SINR）和能量采集约束下最小化基站（BS）的发射功率。通过利用半定松弛（SDR）方法，该方法实现了全局最优性，并进一步提出了基于迫零（ZF）和SINR最优波束成形的低复杂度次优解。

ABSTRACT

This paper studies a multi-user multiple-input single-output (MISO) downlink system for simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT), in which a set of single-antenna mobile stations (MSs) receive information and energy simultaneously via power splitting (PS) from the signal sent by a multi-antenna base station (BS). We aim to minimize the total transmission power at BS by jointly designing transmit beamforming vectors and receive PS ratios for all MSs under their given signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints for information decoding and harvested power constraints for energy harvesting. First, we derive the sufficient and necessary condition for the feasibility of our formulated problem. Next, we solve this non-convex problem by applying the technique of semidefinite relaxation (SDR). We prove that SDR is indeed tight for our problem and thus achieves its global optimum. Finally, we propose two suboptimal solutions of lower complexity than the optimal solution based on the principle of separating the optimization of transmit beamforming and receive PS, where the zero-forcing (ZF) and the SINR-optimal based transmit beamforming schemes are applied, respectively.

研究动机与目标

• 最小化多天线基站（BS）在多用户MISO下行链路SWIPT系统中的总发射功率。
• 联合设计发射波束成形向量与单-天线移动台（MS）的接收功率分配（PS）比例。
• 满足各MS在信息解码（SINR）和能量采集（采集功率）方面的服务质量（QoS）约束。
• 建立联合优化问题的可行性条件。
• 通过解耦波束成形与PS优化，提出低复杂度的次优解。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，以在SINR和采集功率约束下最小化BS发射功率。
• 推导出该优化问题可行性的充分必要条件。
• 对问题应用半定松弛（SDR），并证明该松弛是紧致的，从而确保全局最优性。
• 提出一种基于迫零（ZF）波束成形与优化PS比例结合的次优解，以降低复杂度。
• 提出第二种次优解，采用SINR最优波束成形与优化PS比例，以提升性能。
• 顺序求解波束成形与PS优化问题，通过解耦联合设计以降低计算成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户MISO SWIPT系统中，联合波束成形与功率分配的可行性条件是什么？
• RQ2 半定松弛（SDR）能否在该SWIPT设置下的非凸功率最小化问题中实现全局最优？
• RQ3 基于SDR的最优解与复杂度降低的次优设计相比，性能表现如何？
• RQ4 在相同系统中，使用ZF波束成形与SINR最优波束成形在次优解中的影响有何不同？
• RQ5 能否在不造成显著性能损失的前提下，有效解耦波束成形与PS比例的联合优化？

主要发现

• 所提出的基于SDR的方法由于松弛的紧致性，能够实现非凸功率最小化问题的全局最优。
• 推导出了联合波束成形与PS设计的可行性条件，并证明其为充分必要条件。
• 基于ZF波束成形的次优解在计算复杂度上更低，但相比最优解需要更高的发射功率。
• 采用SINR最优波束成形的次优解在性能上优于基于ZF的变体，同时保持了较低的复杂度。
• 波束成形与PS比例的解耦优化方法在性能与复杂度之间提供了实用的权衡。
• 最优解可确保所有MS同时满足其SINR与能量采集要求。