[論文レビュー] Recent Advances in Joint Wireless Energy and Information Transfer

Suzhi Bi, Chin Keong Ho+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 42被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、低消費電力デバイス向けのRFベースのエネルギー転送を目的とした、同時無線情報・電力伝送（SWIPT）および無線駆動通信ネットワーク（WPCN）分野における最近の進展をレビューする。信号設計とリソース割り当てを統合することでスペクトル効率とエネルギー効率を最大化する手法を提案し、マス・MIMOおよびフルデュプレックス動作がネットワークスループットと公平性を著しく向上させるとともに、二重近・遠問題を緩和することを示している。

ABSTRACT

In this paper, we provide an overview of the recent advances in microwave-enabled wireless energy transfer (WET) technologies and their applications in wireless communications. Specifically, we divide our discussions into three parts. First, we introduce the state-of-the-art WET technologies and the signal processing techniques to maximize the energy transfer efficiency. Then, we discuss an interesting paradigm named simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT), where energy and information are jointly transmitted using the same radio waveform. At last, we review the recent progress in wireless powered communication networks (WPCN), where wireless devices communicate using the power harvested by means of WET. Extensions and future directions are also discussed in each of these areas.

研究の動機と目的

• 低消費電力無線デバイスを駆動するためのRFによる無線エネルギー転送（WET）の最近の進展を分析すること。
• スペクトル効率の高い通信システムにおける、同時無線情報・電力伝送（SWIPT）の設計と性能向上の可能性を調査すること。
• 特にリソース割り当てと公平性に注目し、無線駆動通信ネットワーク（WPCN）における課題と機会を検討すること。
• マス・MIMOおよびフルデュプレックス動作がWPCNの性能とエネルギー効率に与える影響を検討すること。
• WPCNにおけるチャネル推定、システムアーキテクチャ、実用的導入に関する主要な未解決問題を特定すること。

提案手法

• 受信機に整流回路を備えたMIMOダウンリンクシステムをモデル化し、エネルギービームフォーミングを用いて受信エネルギーを最大化する。
• エネルギービームフォーミングとマルチユーザー検出（MUD）を適用し、SWIPTおよびWPCNシステムにおけるエネルギー伝送と情報伝送のバランスを図る。
• 確率的幾何学的手法を用いて、パワービーコン（PB）を備えたマルチセルWPCNにおけるアウトージ確率および容量スケーリング則を導出する。
• ダウンリンクエネルギー転送とアップリンクデータ伝送の時間割り当てを最適化し、合計または最小ユーザースループットを最大化する。
• 二重近・遠問題を緩和するために、ユーザー協調とフルデュプレックス動作を提案する。
• 訓練、エネルギー転送、データ伝送時間の共同最適化を実現するため、チャネル推定をシステム設計に統合する。

Figure 1: A generic system model for wireless information and energy transfer.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギービームフォーミングとMIMO技術は、WPCNにおけるRFベースの無線エネルギー転送の効率をどのように向上させるか？
• RQ2 エネルギーと情報が同時に伝送される状況において、SWIPTシステムのスペクトル効率と公平性の性能限界は何か？
• RQ3 パワービーコン（PB）の配置とその密度は、マルチセルWPCNにおけるアウトージ確率とネットワーク容量にどのように影響するか？
• RQ4 マス・MIMOおよびフルデュプレックス動作は、WPCNの性能とスケーラビリティをどのように向上させるか？
• RQ5 WPCNにおける共同チャネル推定の主な課題は何か。それらはどのように解決され、エネルギー伝送と情報伝送の両方の効率を向上させることができるか？

主な発見

• エネルギービームフォーミングは、MIMOベースのWETにおいてエネルギー転送効率を顕著に向上させ、長距離かつスケーラブルな電力供給を可能にする。
• SWIPTは、同じ波形をエネルギーと情報の両方の伝送に使用するため、周波数割り当てを分離する方式よりも高いスペクトル効率を達成する。
• WPCNにおける二重近・遠問題（遠方ユーザーが受信エネルギーが低く、送信電力が高くなる）は、最小ユーザースループットを最大化することで緩和できる。
• マス・MIMOは、WPCNにおけるビームフォーミングとマルチユーザー検出を簡素化し、効率的なマルチユーザーアクセスと高いスペクトル効率を実現する。
• フルデュプレックスHAPは、エネルギーの送信とアップリンクデータ受信を同時に実行可能であるが、高度な自己干渉キャンセレーション技術を要する。
• 確率的幾何学的モデルは、PBの密度を増加させ、指向性ビームフォーミングを適用することで、マルチセルWPCNにおける伝送アウトージ確率を低減できることを示している。

Figure 2: Structure of an RF energy receiver using a rectifying circuit [ 2 ] .