[论文解读] Rate-Splitting for Multi-User Multi-Antenna Wireless Information and Power Transfer

Yijie Mao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于多用户MISO SWIPT网络的码率分割（RS）策略，通过将消息划分为公共流和私有流以提升频谱效率和能量传输性能。通过联合预编码公共流以同时传输信息与能量，RS在高能量约束和正交用户部署场景下，相比MU-LP和NOMA实现了更优的速率-能量权衡。

ABSTRACT

In a multi-user multi-antenna Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) network, the transmitter sends information to the Information Receivers (IRs) and energy to Energy Receivers (ERs) concurrently. A conventional approach is based on Multi-User Linear Precoding (MU--LP) where each IR directly decodes the intended stream by fully treating the interference from other IRs and ERs as noise. In this paper, we investigate the application of linearly-precoded Rate-Splitting (RS) in Multiple Input Single Output (MISO) SWIPT Broadcast Channel (BC). By splitting the messages of IRs into private and common parts and encoding the common parts into a common stream decoded by all IRs, RS manages the interference dynamically. The precoders are designed such that the Weighted Sum Rate (WSR) of IRs is maximized under the total transmit power constraint and the sum energy constraint for ERs. Numerical results show that the proposed RS-assisted strategy provides a better rate-energy tradeoff in MISO SWIPT BC. Under a sum energy constraint of ERs, RS-assisted strategy achieves better WSR performance of IRs than MU--LP and NOMA in a wide range of IR and ER deployments. Hence, we draw the conclusion that RS is superior for downlink SWIPT networks.

研究动机与目标

• 解决下行链路多用户多天线SWIPT网络中信息接收机与能量接收机分离时的速率-能量权衡问题。
• 克服传统MU-LP和NOMA在功率约束下平衡加权和速率（WSR）与能量采集性能的局限性。
• 设计一种预编码器，以最大化信息接收机的加权和速率，同时满足能量接收机的最小能量约束和总发射功率限制。
• 在实际部署场景中，证明RS在实现更优速率-能量权衡方面优于MU-LP和NOMA。

提出的方法

• 在发射端将每个信息接收机的消息划分为公共部分和私有部分。
• 将所有公共部分联合编码为一个单一的公共流，由所有信息接收机共同解码。
• 使用线性预编码对公共流、私有流和能量流进行预编码，实现同时传输。
• 采用加权最小均方误差（WMMSE）与连续凸逼近（SCA）算法，求解在功率与能量约束下的非凸WSR最大化问题。
• 在信息接收机中采用连续干扰消除（SIC）技术，先解码公共流，再解码各自的私有流。
• 将系统建模为MISO广播信道，为每一流量和能量接收机分配专用波束。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的MU-LP和NOMA相比，码率分割是否能改善MISO SWIPT广播信道中的速率-能量权衡？
• RQ2 RS中的公共流如何实现信息与能量的双重传输，从而提升系统性能？
• RQ3 当能量需求较高且接收机处于正交或非对称部署配置时，RS相较于MU-LP和NOMA的性能增益如何？
• RQ4 在总发射功率受限条件下，公共流、私有流与能量流之间的功率分配如何影响WSR与采集到的能量？
• RQ5 在何种部署场景下，RS在信息接收机可实现的速率区域方面优于MU-LP和NOMA？

主要发现

• 在所有测试场景中，RS实现的加权和速率（WSR）均高于MU-LP和NOMA，尤其在高能量约束下，WSR增益约为1.63 bit/s/Hz（6.96 vs. 5.33）。
• 当能量接收机（ER）远离两个信息接收机（IRs），且能量需求接近最大值（35 µW）时，RS显著优于MU-LP，WSR提升达30.7%。
• RS中的公共流同时承载信息与能量，可作为双用途波束，增强能量传输效率，同时不降低信息速率。
• 在正交信道条件（θ = 4π/9）下，RS仍优于MU-LP，归因于公共流可同时支持数据与能量传输的能力。
• 在信道增益差异较大的场景下（γ = 0.3），RS实现的速率区域优于NOMA与MU-LP，有效弥合了两者之间的性能差距。
• 功率分配分析表明，RS将0.0074 W分配给公共流，0 W分配给专用ER波束，而MU-LP将0.0066 W分配给ER波束，导致IR数据功率降低，从而降低WSR。