[論文レビュー] On Capacity-Achieving Distributions for Complex AWGN Channels Under Nonlinear Power Constraints and their Applications to SWIPT

Morteza Varasteh, Borzoo Rassouli+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、同時無線情報・電力伝送（SWIPT）におけるエネルギー効率化装置の非線形性を考慮した、複素数AWGNチャネルにおける容量を達成する入力分布の特性を調査する。非線形な出力パワー制約下で、最適な入力分布はガウス分布またはガウス分布とオンオフキーイングの時間共有によって達成され、数値的および回路シミュレーションを通じて、従来のガウス入力と比較して最適化された分布がレート・パワー（RP）領域を顕著に拡大することを示している。

ABSTRACT

The capacity of a complex and discrete-time memoryless additive white Gaussian noise (AWGN) channel under three constraints, namely, input average power, input amplitude and output delivered power is studied. The output delivered power constraint is modelled as the average of linear combination of even moments of the channel input being larger than a threshold. It is shown that the capacity of an AWGN channel under transmit average power and receiver delivered power constraints is the same as the capacity of an AWGN channel under an average power constraint. However, depending on the two constraints, the capacity can be either achieved by a Gaussian distribution or arbitrarily approached by using time-sharing between a Gaussian distribution and On-Off Keying. As an application, a simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) problem is studied, where an experimentally-validated nonlinear model of the harvester is used. It is shown that the delivered power depends on higher order moments of the channel input. Two inner bounds, one based on complex Gaussian inputs and the other based on further restricting the delivered power are obtained for the Rate-Power (RP) region. For Gaussian inputs, the optimal inputs are zero mean and a tradeoff between transmitted information and delivered power is recognized by considering asymmetric power allocations between inphase and quadrature subchannels. Through numerical algorithms, it is observed that input distributions (obtained by restricting the delivered power) attain larger RP region compared to Gaussian input counterparts.

研究の動機と目的

• 平均パワー、アンプリチュード、出力配給パワー制約の下での複素数AWGNチャネルの容量を分析すること。ここで、配給パワーは入力信号の偶数モーメントの線形結合としてモデル化される。
• エネルギー効率化装置における整流器の非線形性が、SWIPTシステムの最適な信号波形設計に与える影響を調査すること。
• 現実的な非線形効率化装置モデルに基づくSWIPTにおけるレート・パワー（RP）領域の内側境界を導出すること。
• 従来のガウス入力と比較して、最適化された入力分布の性能がRP領域の拡大に与える影響を評価すること。
• 実際の回路シミュレーションを用いて理論的考察を検証し、効率化装置の非線形性をシステム設計で活用する利点を確認すること。

提案手法

• 回路シミュレーションで検証された非線形ダイオードモデルを用いて、エネルギー効率化装置（EH）の出力パワーを入力信号の高次モーメントの関数としてモデル化する。
• 平均入力パワー、入力アンプリチュード、最小出力配給パワー（入力の偶数モーメントに関する制約）の3つの制約下で、容量を達成する入力分布を導出する。
• 変分法とラグランジュ乗数を用いて、非線形制約下での容量最適化問題を解く。
• RP領域の2つの内側境界を提案する：1つは、非対称な同相および quadrature（直交）パワー割り当てを施した複素数ガウス入力に基づくもので、もう1つは配給パワーをさらに制限することで性能を向上させるものである。
• 数値的アルゴリズムを用いて、配給パワー制約下での入力分布の最適化を実施し、ガウス分布と比較する。
• 理論的結果を実際の回路レベルのシミュレーションで検証し、最適化された分布がガウス入力よりも優れていることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー効率化装置の非線形性が、最小配給パワー制約下での最大スペクトル効率を達成するための最適入力分布に与える影響は何か？
• RQ2 平均パワー、アンプリチュード、出力配給パワー制約下での複素数AWGNチャネルにおける容量を達成する入力分布の構造は何か？
• RQ3 ガウス分布とオンオフキーイング入力の時間共有は、非線形制約下でガウス分布単体よりも高い容量を達成できるか？
• RQ4 同相および直交成分間の非対称パワー割り当ては、SWIPTシステムにおけるレート・パワー（RP）領域にどのような影響を与えるか？
• RQ5 現実的な非線形EHモデルにおいて、従来のガウス信号とは異なり、最適化された入力分布（ガウス以外）がRP領域をどの程度拡大できるか？

主な発見

• 平均パワー制約および配給パワー制約下でのAWGNチャネルの容量は、平均パワー制約のみの場合と同一であるが、最適入力分布は制約の相対的強度に依存する。
• 配給パワー制約が有効である場合、容量を達成する入力分布はガウス分布またはガウス分布とオンオフキーイング分布の時間共有によって達成される。
• 高次モーメントを制限する最適化された入力分布は、従来のガウス入力と比較してより大きなレート・パワー（RP）領域を実現する。数値結果では顕著な拡大が確認された。
• 回路シミュレーションにより、同じ情報レート下で、提案された最適化された分布がガウス入力よりも高いDC出力パワーを配給できることを確認した。
• 本研究では、整流器の非線形性がSWIPT設計において重要な要因であり、波形および変調設計においてこれを活用することでシステム性能を最大にできることが明らかになった。
• ガウス入力の場合、同相および直交サブチャンネル間の非対称パワー割り当てにより、送信情報量と配給パワーのトレードオフが可能となり、RP領域が拡大される。