[论文解读] Joint Wireless Information and Energy Transfer in a K-User MIMO Interference Channel

Jaehyun Park, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 8

一句话总结

本文提出了一种在K-user MIMO干扰信道中的联合无线信息与能量传输（JWIET）框架，其中发射端同时波束成形以实现信息解调（ID）和能量采集（EH）。该研究引入了所有能量传输用户统一采用秩一波束成形策略，提出一种用于优化速率-能量权衡的迭代算法，并设计了一种基于信号-泄漏-采集能量比（SLER）的波束成形方案，该方案通过在干扰与能量采集之间实现平衡，优于MEB和MLB方法，尤其在发射端数量增加时表现更优。

ABSTRACT

Recently, joint wireless information and energy transfer (JWIET) methods have been proposed to relieve the battery limitation of wireless devices. However, the JWIET in a general K-user MIMO interference channel (IFC) has been unexplored so far. In this paper, we investigate for the first time the JWIET in K-user MIMO IFC, in which receivers either decode the incoming information data (information decoding, ID) or harvest the RF energy (energy harvesting, EH). In the K-user IFC, we consider three different scenarios according to the receiver mode -- i) multiple EH receivers and a single ID receiver, ii) multiple IDs and a single EH, and iii) multiple IDs and multiple EHs. For all scenarios, we have found a common necessary condition of the optimal transmission strategy and, accordingly, developed the transmission strategy that satisfies the common necessary condition, in which all the transmitters transferring energy exploit a rank-one energy beamforming. Furthermore, we have also proposed an iterative algorithm to optimize the covariance matrices of the transmitters that transfer information and the powers of the energy beamforming transmitters simultaneously, and identified the corresponding achievable rate-energy tradeoff region. Finally, we have shown that by selecting EH receivers according to their signal-to-leakage-and-harvested energy-ratio (SLER), we can improve the achievable rate-energy region further.

研究动机与目标

• 解决在一般K-user MIMO干扰信道（IFC）中联合无线信息与能量传输（JWIET）方案的缺失问题，这是现代多用户无线系统中的一个关键空白。
• 研究在三种不同接收器配置下的JWIET：多个EH与一个ID、多个ID与一个EH，以及ID/EH混合接收器。
• 识别所有场景下最优传输策略的共同必要条件，重点关注能量波束成形结构。
• 开发一种迭代算法，联合优化信息协方差矩阵与能量波束成形功率，以最大化速率-能量权衡。
• 提出一种基于SLER的EH接收器选择方法，以进一步提升可实现的速率-能量区域，尤其在干扰受限场景中。

提出的方法

• 在接收器于ID与EH模式之间采用时分复用的K-user MIMO IFC中建立JWIET问题模型，假设不支持同时操作。
• 推导出最优传输的共同必要条件：所有能量波束成形发射端必须采用秩一波束成形，无论接收器配置如何。
• 设计一种迭代算法，求解非凸优化问题以最大化可实现的速率-能量区域，联合优化信息波束成形器与能量波束成形功率。
• 提出三种波束成形策略：最大能量波束成形（MEB）、最小泄漏波束成形（MLB）以及SLER最大化波束成形，其中SLER定义为有用信号功率与干扰加采集能量之比。
• 在SLER波束成形方案中引入波束倾斜技术，通过信道矩阵对的广义奇异值分解（GSVD）更新波束成形向量，以降低干扰。
• 提出一种基于SLER的接收器选择方法，优先选择具有有利干扰-采集能量比的接收器，从而提升整体系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有混合ID与EH接收器的一般K-user MIMO干扰信道中，JWIET的最优传输策略是什么？
• RQ2 在不同接收器配置下（单个ID、单个EH或混合），最优能量波束成形结构如何变化？
• RQ3 能否为所有K-user MIMO IFC场景下的最优JWIET策略推导出统一的必要条件？
• RQ4 SLER波束成形策略在速率-能量权衡性能方面与MEB和MLB相比如何？
• RQ5 当能量发射端数量增加时，波束方向与功率控制对系统性能有何影响？

主要发现

• 在三种场景（多个EH与一个ID、多个ID与一个EH、混合）中，所有最优传输策略均要求能量发射端采用秩一波束成形，确立了共同的必要条件。
• SLER最大化波束成形方案实现的速率-能量权衡区域优于MEB与MLB，实现了信息速率与采集能量之间的良好平衡。
• 在干扰受限系统中（信息发射端数量较多时），最优能量波束成形策略趋近于MEB，优先考虑能量采集。
• 当能量发射端数量增加时，波束成形与功率控制变得至关重要；通过GSVD更新实现的波束倾斜可显著提升性能，尤其在K值较高时。
• 所提出的基于SLER的EH接收器选择方法通过选择SLER值有利的接收器，进一步提升了可实现的速率-能量区域。
• 仿真结果表明，SLER波束成形中的波束倾斜（α = 0.9）相比仅功率分配显著提升了性能，尤其在(K, K₁) = (5,4)时，凸显了波束方向与功率联合优化的重要性。