[论文解读] Transceiver Design for Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access Systems with Wireless Energy Transfer

Ruijin Sun, Ying Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种协作非正交多址接入（NOMA）系统中的收发器设计方案，其中强用户（R）作为无线能量采集的译码转发中继，以提升弱用户（D）的服务质量（QoS）。通过在QoS和功率约束下联合优化波束成形、功率分配比例和接收滤波，该方案在确保D的速率需求得到满足的同时最大化R的速率，相较于直接传输，显著提升了中断性能，尤其在中继天线数量增加时效果更明显。

ABSTRACT

In this paper, an energy harvesting (EH) based cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) system is considered, where node S simultaneously sends independent signals to a stronger node R and a weaker node D. We focus on the scenario that the direct link between S and D is too weak to meet the quality of service (QoS) of D. Based on the NOMA principle, node R, the stronger user, has prior knowledge about the information of the weaker user, node D. To satisfy the targeted rate of D, R also serves as an EH decode-and-forward (DF) relay to forward the traffic from S to D. In the sense of equivalent cognitive radio concept, node R viewed as a secondary user assists to boost the performance of D, in exchange for receiving its own information from S. Specifically, transmitter beamforming design, power splitting ratio optimization and receiver filter design to maximize node R rate are studied with the predefined QoS constraint of D and the power constraint of S. Since the problem is non-convex, we propose an iterative approach to solve it. Moreover, to reduce the computational complexity, a zero- forcing (ZF) based solution is also presented. Simulation results demonstrate that, both two proposed schemes have better performance than the direction transmission.

研究动机与目标

• 解决协作NOMA系统中强用户为弱用户中继信号时因高发射功率而导致自身性能下降的能源短缺问题。
• 通过在中继节点R处实现射频能量采集，实现信息与能量的并发传输，从而提升NOMA的频谱效率和用户公平性。
• 在总功率和QoS约束下，最大化强用户R的用户数据速率，同时保证弱用户D的最小速率需求。
• 开发低复杂度解决方案，包括基于零 forcing（ZF）的波束成形方案，以支持实际部署。
• 通过在真实信道条件和功率约束下的大量仿真，评估系统性能。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，联合设计发射波束成形向量、功率分配比例和接收滤波器，以在满足D的QoS和S的总功率约束下最大化R的速率。
• 采用迭代算法通过固定点迭代方式交替优化波束成形、功率分配和接收滤波器，以求解非凸问题。
• 提出一种基于零 forcing（ZF）的波束成形方案，通过强制消除目标信号间的干扰来降低计算复杂度。
• 采用等效认知无线电模型，其中R作为次用户，通过接收S发送的自身数据来中继D的信号。
• 在NOMA中应用功率域复用，并在R处采用连续干扰消除（SIC）以在转发前解码D的信号。
• 以固定效率（η = 0.8）建模能量采集过程，其中R将接收到的信号分为信息解调和能量采集两路。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化波束成形与功率分配，以在具有能量采集能力的协作NOMA系统中最大化中继用户R的速率？
• RQ2 与直接传输相比，所提方案在弱用户D的中断概率方面能带来多大的性能增益？
• RQ3 增加中继R的天线数量对系统性能有何影响，具体体现在D的中断概率和R的数据速率上？
• RQ4 基于ZF的波束成形方案在多大程度上逼近最优迭代解的性能？
• RQ5 在D的速率需求较高的情况下，ZF方案在何种条件下可实现近似最优性能？

主要发现

• 所提出的最优迭代方案在高发射功率下相比直接传输显著降低了节点D的中断概率。
• 当D的速率需求较高时，基于ZF的波束成形方案与最优方案的中断性能几乎完全一致，原因在于几乎全部功率被分配给D的波束成形向量。
• 随着R处天线数量的增加，D的中断概率显著降低，充分体现了空间分集增益的优势。
• 随着S发射功率的增加，R的速率区域显著扩展，且当D的速率需求提高时，最优方案与ZF方案之间的性能差距逐渐缩小。
• 最优方案在速率区域覆盖范围上优于ZF方案，但ZF方案在性能与复杂度之间提供了出色的折中。
• 仿真结果证实，在相同功率和QoS约束下，所提出的两种方案（最优与ZF）在可靠性与频谱效率方面均显著优于直接传输。