Skip to main content
SUPERVISOR
Ali-Mohamad Doost-Hoseini,Forooghosadat Tabataba
علی محمد دوست حسینی (استاد راهنما) فروغ السادات طباطباء (استاد مشاور)
 
STUDENT
Sajad Shokoohifard
سجاد شکوهی فرد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Source and Relay Power Allocation in a MIMO Full-Duplex Network with Imperfect Channel Information and Energy Harvesting
With the rapid growth and development of information and communication technology, applications in various fields such as cellular networks, internet of things (IoT), and wireless sensor networks (W) have been mounting. As a result, the number of users and connected devices is increasing every day. The need to communicate with minimal delay, high reliability, and at any place and time, etc. persuades us to increase resources such as transmission power and bandwidth, which in turn means a significant increase in energy consumption. But energy efficiency has become one of the critical challenges of this era because of the dangers of climate change, the ecological impact of carbon emission, as well as the cost of energy. In this research, a relay network structure with a decode-and-forward (DF) strategy and a simultaneous wireless information and power transmit (SWIPT) is considered, as a promising solution, to improve energy efficiency. Also, each node has equipped by multiple antennas with a separate full-duplex (FD) approach to enhance the spectral efficiency. Moreover, by using a power-splitting (PS) strategy at the harvester circuit, the FD can be realized. Clearly, it is always necessary to include the imperfections in design and analysis. Therefore, as one of these imperfections, we have considered imperfect channel state information (ICSI) to analyze system performance precisely. We have proposed and solved an optimization problem with maximizing the end-to-end achievable rate objective, we have obtained closed form optimal solutions for power allocation at source and relay, as well as energy harvesting (EH) ratio. In order to obtain numerical answers, a primal-dual algorithm is presented based on the ellipsoid method. Numerical results demonstrate the FD achievable rate superiority under proper self-interference cancellation (SIC) over the HD mode. There is also a big gap between the achievable rates in PCSI and ICSI cases. According to the existing results, passive SIC outperforms active SIC over a wide range of transmission powers. Also, the effect of relay distance from the source node is noticeable for active SIC due to its power consumption. Finally, as expected, the use of additional antennas enhances the multiplexing gain and thus increases the achievable rate without increase in transmission power compared to single-antenna systems. Key Words: Achievable Rate, MIMO Relay Networks, SWIPT, Energy Harvesting, Full-Duplex Systems, Imperfect CSI, Power Allocation
با رشد و تکامل سریع فناوری اطلاعات و ارتباطات، کاربردهای بسیاری در زمینه‌های متفاوت از جمله شبکه‌های سلولی، اینترنت اشیاء، شبکه‌های حسگر بیسیم و... گسترش پیدا کرده است. از این رو، تعداد کاربران و دستگاه‌های متصل به هم روز به روز در حال افزایش است. نیاز به برقراری ارتباط با حداقل تأخیر، ارتباط مطمئن، برقراری ارتباط در هر مکان و هر زمان و... ایجاب می‌کند تا استفاده از منابع نظیر توان مصرفی و پهنای باند بیش از پیش شود. این امر خود به معنی افزایش بی‌ملاحظه مصرف انرژی است. از طرفی، بهره‌وری انرژی بنابر دلایل زیادی از جمله مبارزه با تغییرات آب و هوایی، عوارض زیست محیطی انتشار کربن و همچنین بهای انرژی به یکی از مهم‌ترین چالش‌های عصر حاضر بدل شده است. در این پژوهش، از یک شبکه رله‌ای با راهبرد کدگشایی و پیش‌ران همراه با برداشتگر انرژی به نحوی که انتقال اطلاعات و توان را به صورت همزمان ممکن سازد به منظور ارتقای بهره‌وری انرژی، به عنوان راه‌حلی امیدوارکننده استفاده شده است. همچنین با هدف بهبود بهره‌وری طیفی هر سه گره‌ منبع، رله و مقصد با چندین آنتن مجهز شده‌اند و فراتر از این یک سیستم دوسویه جدا از هم برای گره رله که از راهبرد تقسیم توان بهره می‌برد در نظر گرفته شده است. از طرفی، همواره در طراحی سیستم‌های مخابراتی توجه به ملاحظات کارکردی در تحلیل و بررسی روابط امری ضروری به نظر می‌‌رسد. لذا در همین راستا، شرایط اطلاعات حالت کانال غیرکامل به منظور بررسی دقیق‌تر عملکرد سیستم مورد استفاده قرار گرفته است. با این همه، یک مسأله بهینه‌سازی با هدف بیشینه کردن نرخ قابل دستیابی انتها به انتها مطرح شده است؛ سپس از طریق حل تحلیلی، پاسخ‌های بهینه برای تخصیص توان در منبع و رله و همچنین نسبت برداشت انرژی به صورت فرم بسته به دست می‌آیند. در ادامه به منظور حل عددی و دستیابی به جواب‌های نهایی یک الگوریتم اولیه-دوگان بر مبنای روش بیضوی ارائه می‌شود. در مجموع، نتایج موجود نشان می‌دهند نرخ قابل دستیابی در حالت دوسویه، در صورت لغو مناسب تداخل-خودی، بر حالت نیمه دوسویه کاملا غلبه دارد. همچنین اختلاف زیاد بین نرخ قابل دستیابی در حالت‌های اطلاعات حالت کانال کامل و غیرکامل مشهود می‌شود. از دیگر نتایج می‌توان به برتری عملکرد لغو تداخل-خودی غیرفعال در محدوده وسیعی از توان‌های ارسالی نسبت به لغو تداخل-خودی فعال اشاره کرد. همچنین تأثیر فاصله رله در حالت لغو تداخل-خودی فعال به دلیل میزان توان مصرفی جهت سرکوب تداخل غیرقابل چشم‌پوشی می‌باشد. در نهایت همان‌طور که انتظار می‌رود استفاده از تعداد آنتن‌های بیشتر بهره تسهیم و در نتیجه نرخ قابل دستیابی را بدون نیاز به افزایش توان، در مقایسه با سیستم‌های تک‌آنتنی، افزایش می‌دهد. کلمات کلیدی: نرخ قابل دستیابی، شبکه‌های رله‌ای چندآنتنی، انتقال همزمان اطلاعات و توان بیسیم، برداشتگر انرژی، سیستم‌های دوسویه، اطلاعات حالت کانال غیرکامل، تخصیص توان منبع و رله.

تحت نظارت وف ایرانی