In this dissertation, we consider the device-to-device (D2D) communications in downlink simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) networks, where both the cellular user (CU) and D2D receiver (DR) not only decode information but also harvest the energy. For the purpose of protecting the CU from the interference due to the D2D transmission, we propose energy harvesting parameter optimization schemes. Unlike the conventional D2D communications, where the CU's performance loss becomes severe when the D2D transmitter (DT) is close to the CU, with the proposed schemes, it is possible for the D2D pair to communicate without degrading the performance of the CU. This is because of that, by adjusting the CU's energy harvesting parameter, the CU's harvested energy gain due to the DT's signals can compensate for the CU's rate loss due to the DT's signals. In order to consider the various conditions of wireless channels, the energy harvesting parameter optimization schemes are proposed for three channel assumptions: global channel state information (CSI), local CSI under fast fading channels, and local CSI under slow fading channels.
Firstly, by solving the optimization problems for the maximization of D2D rate, we propose energy harvesting parameter control schemes with global CSI. For the time switching (TS) receiver architecture, two schemes changing time duration of the D2D transmission are proposed. For the power splitting (PS) receiver architecture, with the energy signal transmission of the DT, a closed-form optimal scheme is proposed.
Secondly, by solving the optimization problems for the maximization of D2D ergodic rate, we propose D2D power control schemes for fast fading channels with local CSI, which are performed at the DT with the instantaneous CSI of only the link between the D2D pair, i.e., decentralized network control. By exploiting the conservative approximation approach and the Lagrangian dual method, for the PS and TS receiver architectures, non-convex power control problems are approximated as convex problems and efficiently solved.
Thirdly, by solving the optimization problems for the minimization of D2D outage probability, we propose D2D power control schemes for slow fading channels with local CSI, which are performed at the DT with the instantaneous CSI of only the link between the D2D pair, i.e., decentralized network control. By exploiting the conservative approximation approach and the Lagrangian dual method, for the PS and TS receiver architectures, non-convex power control problems are approximated as convex problems and efficiently solved.
Simulation results demonstrate that the proposed schemes perform better when the CU's required energy is large. In this case, the baseline schemes have similar performance as the proposed schemes. On the other hand, when the CU's required energy is small, compared to the baseline schemes, the proposed schemes can greatly improve the D2D performance.
본 논문에서는 무선 정보 및 전력 동시 전송(SWIPT)을 위한 하향링크 네트워크 안에서 이루어지는 단말 간 직접 통신(D2D)을 고려하였고, 셀룰러 단말과 D2D 수신기가 정보 복호화 및 에너지 하베스팅을 수행하는 환경을 고려하였다. 그리고 D2D 통신에 의해 발생하는 간섭으로부터 셀룰러 단말을 보호하기 위한 목적으로, 에너지 하베스팅 파라미터 최적화 방법을 제안하였다. 기존의 D2D 통신에서는 D2D 송신기가 셀룰러 단말 가까이에 위치할 경우 셀룰러 단말의 성능이 심각하게 저하되는 문제가 있었는데, 이와는 달리 제안된 방법을 사용하면 셀룰러 단말의 성능 저하 없이 D2D 통신이 가능하다. 그 이유는 셀룰러 단말의 에너지 하베스팅 파라미터를 조절함으로써, 셀룰러 단말이 D2D 신호로부터 얻는 에너지 하베스팅 이득을 이용하여 셀룰러 단말의 데이터 전송률 저하를 막을 수 있기 때문이다. 다양한 무선 채널 환경을 고려하기 위해, 세가지 채널 가정에 대한 에너지 하베스팅 파라미터 최적화 방법을 제안하였다. 세가지 채널 가정은 전역 채널 정보, 지역 채널 정보 및 빠른 페이딩 (fast fading) 채널, 지역 채널 정보 및 느린 페이딩 (slow fading) 채널이다.
첫 번째로, D2D 데이터 전송률 최대화를 위한 문제의 해를 구함으로써, 전역 채널 정보 기반의 에너지 하베스팅 파라미터 제어 방법을 제안하였다. 시간 전환 (time switching) 방식의 수신기에 대해서는, D2D 전송 시간을 달리하는 두 가지 전송 방법을 제안하였다. 전력 분할 (power splitting) 방식의 수신기에 대해서는, D2D 송신기가 정보 신호뿐만 아니라 에너지 신호도 전송하도록 고려하였고, 닫힌 형태의 최적 방법을 제안하였다.
두 번째로, D2D 에르고딕 전송률 최대화를 위한 문제의 해를 구함으로써, 빠른 페이딩 채널을 위한 지역 채널 정보 기반의 D2D 전력 제어 방법을 제안하였다. 이러한 방법은 D2D 송수신기 사이 링크만의 순간 채널 정보를 기반으로 D2D 송신기에서 수행된다. 보수적 근사 (conservative approximation) 접근법과 라그랑지안 쌍대 (Lagrangian dual) 방법을 이용하여, 전력 분할 방식과 시간 전환 방식의 수신기에 대해, 비 볼록 문제를 볼록 문제로 근사화함으로써 효율적으로 해를 구하였다.
세 번째로, D2D 오수신 확률 최소화를 위한 문제의 해를 구함으로써, 느린 페이딩 채널을 위한 지역 채널 정보 기반의 D2D 전력 제어 방법을 제안하였다. 이러한 방법은 D2D 송수신기 사이 링크만의 순간 채널 정보를 기반으로 D2D 송신기에서 수행된다. 보수적 근사 접근법과 라그랑지안 쌍대 방법을 이용하여, 전력 분할 방식과 시간 전환 방식의 수신기에 대해, 비 볼록 문제를 볼록 문제로 근사화함으로써 효율적으로 해를 구하였다.
모의실험을 통해서, 셀룰러 단말의 요구 에너지가 클 경우에, 제안된 방법의 성능이 좋음을 알 수 있었다. 이러한 경우, 기준 (baseline) 방법은 제안된 방법과 비슷한 성능을 가진다. 반면에 셀룰러 단말의 요구 에너지가 적을 경우에는, 기준 방법에 비교해 볼 때, 제안된 방법이 D2D 성능을 크게 향상시킴을 확인하였다.
