[论文解读] Joint Transceiver Design Algorithms for Multiuser MISO Relay Systems with Energy Harvesting

Yunlong Cai, Minjian Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 35被引用 4

一句话总结

本文针对具有同时无线信息与能量传输（SWIPT）的多用户MISO中继系统，提出联合收发波束成形、中继放大矩阵及功率分配比例的设计算法，旨在最小化总发射功率，同时满足信干噪比（SINR）与能量采集约束。提出一种基于交替优化（AO）的算法，保证收敛性，并引入一种新型切换中继方案，在保持性能的同时降低复杂度，仿真结果验证了该方法对信道状态信息（CSI）误差的鲁棒性。

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.

研究动机与目标

• 在多用户MISO中继系统中，通过SWIPT实现接收端信号分路以同时进行信息解调与能量采集，最小化总发射功率。
• 在服务质量与能量采集约束下，联合优化基站波束成形向量、中继放大转发矩阵及接收端功率分配比例。
• 通过半定规划松弛（SDR）与S-过程方法，针对信道状态信息（CSI）量化误差，设计鲁棒性方案。
• 通过切换中继（SR）方案降低迭代算法的计算复杂度，该方案从一组排列矩阵组成的码本中选择最优收发波束成形组合。

提出的方法

• 提出一种基于交替优化（AO）的算法，通过连续凸逼近法迭代优化波束成形、中继预编码与功率分配比例，保证收敛性。
• 鲁棒设计采用半定规划松弛（SDR）与S-过程方法，处理CSI量化误差，确保在不确定性条件下的可行性解。
• 提出一种切换中继（SR）方案，中继从一组排列矩阵组成的码本中选择最优收发波束成形组合，每种组合对应一种潜在的收发波束成形设计。
• 对SR方案中的每个候选解，采用凸-凹逼近法（CCCP）与次梯度算法求解波束成形、中继矩阵与功率分配比例的非凸优化问题。
• 将优化问题重述为二阶锥规划（SOCP），以实现高效计算，SINR与能量采集约束以二阶锥约束形式表达。
• 通过随机化方法实现秩一恢复，从松弛解中恢复可行的波束成形向量，提升设计的实际可用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在SINR与能量采集约束下，将多用户MISO中继系统中SWIPT的联合收发波束成形设计问题建模，以最小化总发射功率？
• RQ2 在信道状态信息不完美条件下，确保收发波束成形设计收敛性与鲁棒性的最有效方法是什么？
• RQ3 切换中继方案是否能显著降低计算复杂度，同时保持与迭代优化方法相当的性能？
• RQ4 功率分配比例对多用户中继系统中信息解调与能量采集之间的权衡有何影响？
• RQ5 与现有SDR与SOCP松弛方法相比，所提出的基于SOCP的重述方法在性能与复杂度方面表现如何？

主要发现

• 基于AO的算法保证收敛性，并在SINR与能量采集双重约束下有效最小化总发射功率。
• 采用SDR与S-过程的鲁棒设计在CSI量化误差下仍保持解的可行性与性能，展现出对信道不确定性的强鲁棒性。
• 切换中继（SR）方案显著降低计算复杂度，同时实现与AO方法相当的性能，适用于实际部署。
• 仿真结果表明，所提出的SR方案在显著减少信令开销与处理延迟的同时，达到接近最优性能。
• SOCP重述方法可高效求解非凸问题，基于CCCP的算法以高可靠性收敛至局部最优解。
• 秩一恢复方法成功从松弛解中恢复可行波束成形向量，确保了设计的实际可应用性。