[论文解读] Simultaneous Wireless Information and Power Transfer for Two-hop OFDM Relay System

Xiaofei Di, Ke Xiong+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2014

Energy Harvesting in Wireless NetworksEngineering参考文献 16被引用 16

一句话总结

本文提出了一种用于两跳OFDM解码转发中继系统的资源分配方案，该系统支持同时无线信息与能量传输（SWIPT），中继通过功率分配从源端的射频信号中获取能量。该方案联合优化功率分配、子载波配对和功率分配比，以最大化总可实现速率。仿真结果表明性能显著提升，关键洞见为：与传统中继相比，能量收集中继应更靠近源端部署以实现最佳性能。

ABSTRACT

This paper investigates the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) for two-hop orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) decode-and-forward (DF) relay communication system, where a relay harvests energy from radio frequency signals transmitted by the source and then uses the harvested energy to assist the information transmission from the source to its destination. The power splitting receiver is considered at the relay, which splits the received signal into two power streams to perform information decoding (ID) and energy harvesting (EH) respectively. For better understanding the behavior and exploring the performance limit of such a system, resource allocation is studied to maximize the total achievable transmission rate. An optimization problem, which jointly takes into account the power allocation, the subcarrier pairing and the power splitting, is formulated. Due to its non-convexity, a resource allocation policy with low complexity based on separation principle is designed. Simulation results show that the system performance can be significantly improved by using our proposed policy. Moreover, the system performance behavior to the relay position is also discussed, and results show that in the two-hop OFDM system with EH relay, the relay should be deployed near the source, while in that with conventional non-EH relay, it should be deployed at the middle between the source and the destination.

研究动机与目标

• 为解决OFDM中继系统中能量受限中继节点的挑战，通过使其从射频信号中获取能量。
• 研究两跳OFDM解码转发中继系统在同时无线信息与能量传输（SWIPT）下的性能极限。
• 设计一种低复杂度的资源分配策略，联合优化功率分配、子载波配对和功率分配比，以实现最大可实现速率。

提出的方法

• 建立一个包含源节点、能量收集（EH）中继和目的节点的两跳OFDM中继系统模型，采用解码转发（DF）中继方式。
• 在中继处应用功率分配（PS）技术，将接收到的射频信号分为两路，分别用于信息解调（ID）和能量收集（EH）。
• 建立一个非凸优化问题，通过联合优化功率分配、子载波配对和功率分配比，以最大化总可实现速率。
• 基于分离原理，提出一种低复杂度的资源分配策略，以处理该优化问题的非凸性。
• 证明最优子载波配对遵循基于信道增益的排序配对规则，通过反证法分析多子载波情形。
• 推导出两子载波情形下的功率分配闭式表达式，并通过不等式分析验证其在多种情况下的最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在支持SWIPT的两跳OFDM中继系统中，能量收集中继的部署位置如何影响系统性能？
• RQ2 在支持SWIPT的OFDM中继系统中，功率分配、子载波配对和功率分配的联合最优资源分配策略是什么？
• RQ3 在非凸SWIPT-OFDM中继系统中，低复杂度资源分配策略能否实现近似最优性能？
• RQ4 在此系统设置中，基于信道增益对子载波进行排序配对是否能最大化系统的可实现速率？

主要发现

• 所提出的低复杂度资源分配策略相较于基准方案，显著提升了系统的总可实现速率。
• 仿真结果证实，最优子载波配对遵循排序配对规则，即子载波按信道增益降序进行配对。
• 在基于能量收集的系统中，中继应部署在靠近源端的位置以最大化性能，而传统非EH中继则在中点位置性能最佳。
• 对于两子载波情形，推导出最优功率分配的闭式解，并通过分析证明其在所有可行情况下均具有最优性。
• 联合优化功率分配、子载波配对和功率分配比带来的性能增益显著，证明了在SWIPT-OFDM中继系统中协同设计的价值。
• 分析证明，任何非排序的子载波配对方式都会导致更低的可实现速率，从而证实了排序配对规则的最优性。