[论文解读] Simultaneous Information and Energy Transfer: A Two-User MISO Interference Channel Case

Chao Shen, Tsung-Che Chiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文研究了在两用户MISO干扰信道中同时进行信息与能量传输的问题，提出了一种理想方案，即联合进行信息解码与能量采集；并提出了两种基于时分多址（TDMA）的实用方案，其中接收机在能量采集与信息检测模式之间交替工作。令人惊讶的是，在干扰受限的场景下，实用的TDMA方案在总速率上反而优于理想方案，挑战了‘理想的同时处理始终最优’这一假设。

ABSTRACT

This paper considers the sum rate maximization problem of a two-user multiple-input single-output interference channel with receivers that can scavenge energy from the radio signals transmitted by the transmitters. We first study the optimal transmission strategy for an ideal scenario where the two receivers can simultaneously decode the information signal and harvest energy. Then, considering the limitations of the current circuit technology, we propose two practical schemes based on TDMA, where, at each time slot, the receiver either operates in the energy harvesting mode or in the information detection mode. Optimal transmission strategies for the two practical schemes are respectively investigated. Simulation results show that the three schemes exhibit interesting tradeoff between achievable sum rate and energy harvesting requirement, and do not dominate each other in terms of maximum achievable sum rate.

研究动机与目标

• 设计一种传输策略，以在满足最小能量采集约束的前提下，最大化两用户MISO干扰信道中的总速率。
• 分析理想情况下接收机同时解码信息与采集能量时的最优波束成形结构。
• 提出并优化两种基于时分多址（TDMA）的实用方案（TDMA方案A与B），在能量采集与信息检测模式之间交替工作。
• 在不同能量采集需求下，比较理想方案与两种实用方案在可实现总速率方面的性能表现。
• 研究在干扰受限的无线网络中，总速率与能量采集性能之间的权衡关系。

提出的方法

• 将理想情况下同时进行信息解码与能量采集的最小能量采集约束下的总速率最大化问题建模为一个非凸优化问题。
• 证明了对于理想方案，波束成形是最优的，并利用拉格朗日对偶与矩阵迹分析推导出最优性的必要条件。
• 提出TDMA方案A：在第一个时隙中，两个接收机均进行能量采集；在第二个时隙中，两个接收机均进行信息解码，时间分配比例通过凸松弛法进行优化。
• 提出TDMA方案B：在每个时隙中，一个接收机进行能量采集，另一个进行信息解码，时间分配与波束成形通过半定规划（SDP）联合优化。
• 利用凸松弛法与CVX求解器求解TDMA方案的优化问题，最优时间分配比例通过穷举搜索或解析推导获得。
• 采用两阶段仿真设置：第一阶段，通过穷举搜索求解理想方案（P）与TDMA方案A；第二阶段，TDMA方案B采用SDP进行波束成形优化，时间分配通过穷举搜索确定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在两用户MISO干扰信道中，是否理想接收机模型（即同时解码信息与采集能量）总能实现最高的总速率？
• RQ2 在不同能量采集需求下，实用的时分多址方案（TDMA方案A与B）与理想方案的性能相比如何？
• RQ3 在何种条件下，实用的TDMA方案在总速率方面会优于理想方案？
• RQ4 干扰主导的环境如何影响理想方案与实用传输方案之间的相对性能？
• RQ5 是否存在总速率与能量采集能力之间的性能权衡？不同方案如何平衡这一权衡？

主要发现

• 在干扰受限的场景下（例如，低噪声功率的信道实现2），TDMA方案A的总速率可超过理想方案（P），这与‘理想的同时处理始终最优’的预期相悖。
• 当一个接收机所需能量显著高于另一个时，TDMA方案B优于TDMA方案A，原因在于其能够自适应地在能量采集与信息解码之间分配时间。
• 三种方案——理想方案、TDMA方案A与TDMA方案B——在总速率方面互不占优；其相对性能取决于能量采集需求与信道条件。
• 对于信道实现1（中等干扰），理想方案（P）始终优于TDMA方案A，证实当干扰不占主导时，理想处理具有优势。
• 仿真结果表明，所有三种方案中波束成形均为最优，且所提出的优化方法能通过凸松弛与SDP高效求解底层的非凸问题。
• 随着能量采集约束变得不那么严格，理想方案与实用方案之间的性能差距逐渐缩小；但在高干扰场景下，实用方案甚至可超越理想方案。