[論文レビュー] MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

Rui Zhang, Chin Keong Ho|arXiv (Cornell University)|May 25, 2011

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 17被引用数 18

ひとこと要約

本稿は、同時無線情報・電力伝送（SWIPT）のためのMIMOブロードキャストを調査し、異なる受信機構成下でのスペクトル効率とエネルギー効率の最大化を目的とした最適な送信戦略を提案する。ピーク送信電力がチャネル固有値から導かれる臨界閾値未満である場合、時間スイッチングおよびパワー分離方式が、最適な均一パワー分離方式と同一のレート・エネルギートレードオフを達成することが示された。

ABSTRACT

Wireless power transfer (WPT) is a promising new solution to provide convenient and perpetual energy supplies to wireless networks. In practice, WPT is implementable by various technologies such as inductive coupling, magnetic resonate coupling, and electromagnetic (EM) radiation, for short-/mid-/long-range applications, respectively. In this paper, we consider the EM or radio signal enabled WPT in particular. Since radio signals can carry energy as well as information at the same time, a unified study on simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) is pursued. Specifically, this paper studies a multiple-input multiple-output (MIMO) wireless broadcast system consisting of three nodes, where one receiver harvests energy and another receiver decodes information separately from the signals sent by a common transmitter, and all the transmitter and receivers may be equipped with multiple antennas. Two scenarios are examined, in which the information receiver and energy receiver are separated and see different MIMO channels from the transmitter, or co-located and see the identical MIMO channel from the transmitter. For the case of separated receivers, we derive the optimal transmission strategy to achieve different tradeoffs for maximal information rate versus energy transfer, which are characterized by the boundary of a so-called rate-energy (R-E) region. For the case of co-located receivers, we show an outer bound for the achievable R-E region due to the potential limitation that practical energy harvesting receivers are not yet able to decode information directly. Under this constraint, we investigate two practical designs for the co-located receiver case, namely time switching and power splitting, and characterize their achievable R-E regions in comparison to the outer bound.

研究の動機と目的

• エネルギー制約のある無線ネットワーク、特にセンサーやIoTアプリケーションにおける課題に対処すること。
• MIMOブロードキャストチャネルにおける同時無線情報・電力伝送（SWIPT）の実現可能性と性能限界を調査すること。
• 分離型および重畳型のエネルギー受信機と情報受信機を備えた受信機構成下でのレート・エネルギー（R-E）領域を同定すること。
• 実用的なSWIPT戦略（時間スイッチングおよびパワー分離）を理論的外挙動および最適な手法と比較すること。
• 実用的戦略が、最適な均一パワー分離方式と同一のR-Eトレードオフを達成する条件を同定すること。

提案手法

• 1つの送信機、1つの情報受信機、1つのエネルギー受信機を備えたMIMOブロードキャストモデルを提案。各受信機は複数のアンテナを装備する。
• 分離型受信機の場合のPareto境界を達成するための最適プレフィンギング戦略を導出する。
• エネルギー受信機が情報を復号できないという実用的制限を考慮し、重畳型受信機における達成可能なR-E領域の外挙動を導出する。
• 重畳型受信機における2つの実用的戦略（時間スイッチングおよびパワー分離）を分析し、それぞれの達成可能なR-E領域を導出する。
• 水位割り当ておよびビームフォーミングを用いて、電力制約下でのスペクトル効率を最適化する。
• 臨界電力閾値 $ P = \frac{1}{h_2} - \frac{1}{h_1} $ を確立し、この値未満では時間スイッチングと均一パワー分離が同一のR-Eトレードオフを達成することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分離型情報受信機およびエネルギー受信機を備えたMIMOブロードキャストチャネルにおいて、情報レートを最大化すると同時に最小エネルギー伝送を保証する最適な送信戦略は何か？
• RQ2 情報受信機とエネルギー受信機が重畳型である場合と分離型である場合とで、達成可能なレート・エネルギー（R-E）領域はどのように異なるか？
• RQ3 時間スイッチングおよびパワー分離といった実用的SWIPT戦略が、最適な均一パワー分離方式と同一の性能を達成する条件は何か？
• RQ4 重畳型受信機におけるR-E領域の根本的限界は何か？ また、実用的戦略はこの外挙動とどのように比較できるか？
• RQ5 MIMOチャネルの構造（固有値 $ h_1, h_2 $）は、SWIPTシステムにおける性能トレードオフにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 時間スイッチング（TS）方式は、任意の与えられたエネルギーレベルにおいて、均一パワー分離（UPS）方式よりも高い情報レートを達成する。これは、同じ電力制約下で $ R_{\rm TS} \geq R_{\rm UPS} $ が成り立つことにより証明された。
• ピーク送信電力 $ P \leq \frac{1}{h_2} - \frac{1}{h_1} $ の場合、時間スイッチングと均一パワー分離の達成可能なR-E領域は同一である。
• $ P > \frac{1}{h_2} - \frac{1}{h_1} $ の場合、TS方式における送信共分散行列の最適ランクは1を超えるが、UPS方式では性能を一致させるためにランク1ビームフォーミングが必要となる。このため、両者の等価性を達成する根本的矛盾が生じる。
• 重畳型受信機におけるR-E領域の外挙動は、エネルギー受信機が情報を復号できる場合にのみタイトであるが、これは現実には実現不可能であるため、達成可能な性能が制限される。
• 送信電力が高くなるほど、特にチャネル固有値が著しく異なる場合、実用的戦略と理論的外挙動との間の性能ギャップが拡大する。
• 臨界閾値 $ P = \frac{1}{h_2} - \frac{1}{h_1} $ は、この値を超えると、UPSにおけるランク1制約とTSにおけるマルチストリーム伝送の必要性のため、単純な戦略ではR-Eトレードオフを再現できなくなる点を示している。