[論文レビュー] Waveform and Transceiver Design for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer.

Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、送信側で多重正弦波（電力）とOFDM（情報）波形を重ね合わせる新しいSWIPT受信機アーキテクチャを提案する。受信側ではパワー・スプリッタを用い、同時にデータを復号し、エネルギーを回収する。システムは整流器の非線形性とチャネル状態情報に基づく適応設計を活用して、重ね合わせ波形を最適化し、データレートとエネルギー収率の領域を最大化する。非ゼロ平均ガウス信号が従来のゼロ平均入力よりも優れた性能を示すことが示された。

ABSTRACT

Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) has attracted significant attention in the communication community. The problem of waveform design has however never been addressed so far. In this paper, we first investigate how a communication waveform (OFDM) and a power waveform (multisine) compare with each other in terms of harvested energy. We show that due to the non-linearity of the rectifier and the randomness of the information symbols, the OFDM waveform is less efficient than the multisine waveform for wireless power transfer. This observation motivates the design of a novel SWIPT transceiver architecture relying on the superposition of multisine and OFDM waveforms at the transmitter and a power-splitter receiver equipped with an energy harvester and an information decoder. The superposed SWIPT waveform is optimized so as to maximize the rate-energy region of the whole system. Its design is adaptive to the channel state information and result from a posynomial maximization problem that originates from the non-linearity of the energy harvester. Numerical results illustrate the performance of the derived waveforms and SWIPT architecture. Key (and refreshing) observations are that 1) a power waveform (superposed to a communication waveform) is useful to enlarge the rate-energy region of SWIPT, 2) a combination of power splitting and time sharing is in general the best strategy, 3) exploiting the nonlinearity of the rectifier is essential to design efficient SWIPT architecture, 4) a non-zero mean Gaussian input distribution outperforms the conventional capacity-achieving zero-mean Gaussian input distribution.

研究の動機と目的

• SWIPTシステムにおける波形設計という未解決の問題に取り組み、特に情報レートとエネルギー収率効率のトレードオフを解消すること。
• 整流器の非線形性と情報シンボルのランダム性を考慮した場合、OFDMと多重正弦波のどちらが無線電力伝送においてより効果的かを調査すること。
• 多重正弦波とOFDM波形を組み合わせた新しい変復調器アーキテクチャを設計し、システムのレート・エネルギー領域を最大化すること。
• チャネル状態情報に応じて波形を適応的に最適化し、エネルギー回収器の非線形挙動を考慮した波形設計を実現すること。
• SWIPTシステムにおいて、非ゼロ平均ガウス入力分布が従来のゼロ平均ガウス入力と比較して、性能が向上するかを評価すること。

提案手法

• 提案されたアーキテクチャは、送信側で多重正弦波波形（電力用）とOFDM波形（情報用）を重ね合わせて送信する。
• 受信側では、パワー・スプリッタが信号の一部をエネルギー回収器に、残りを情報復調器にルーティングし、同時に動作を可能にする。
• 波形最適化は、整流器モデルの非線形特性に基づいて導出されたポリノミアル最大化問題を用いる。
• 最適化はチャネル状態情報に適応し、データレートとエネルギー性能のバランスを取るために波形パラメータを動的に調整可能である。
• 情報信号に非ゼロ平均ガウス入力分布を組み込み、ゼロ平均分布よりも優れた性能を示すことが示された。
• 数値結果は、パワー・スプリッティングとタイムシェアリングを含む、さまざまな構成におけるレート・エネルギー領域を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 整流器の非線形性とランダムな情報シンボルを考慮した場合、OFDMと多重正弦波波形のエネルギー収率効率はどのように比較されるか？
• RQ2 多重正弦波とOFDMを組み合わせた重ね合わせ波形は、SWIPTシステムにおけるレート・エネルギー領域を向上させることができるか？
• RQ3 エネルギー収率と情報復調のバランスを取る最適な戦略は何か—パワー・スプリッティング、タイムシェアリング、またはハイブリッド戦略か？
• RQ4 整流器の非線形性は、SWIPT波形の設計と性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 非ゼロ平均ガウス入力分布を用いることで、従来のゼロ平均ガウス入力よりも性能が向上するか？

主な発見

• 整流器の非線形性と情報シンボルのランダム性を考慮すると、多重正弦波波形がエネルギー収率においてOFDMを上回る。
• 多重正弦波とOFDMの重ね合わせ波形は、単独の波形と比較して、レート・エネルギー領域を顕著に拡大する。
• パワー・スプリッティングとタイムシェアリングを組み合わせたハイブリッド戦略は、通常、レート・エネルギートレードオフにおいて最良の性能を達成する。
• 高性能なSWIPTシステムを設計するには、整流器の非線形性を活用することが不可欠である。
• 情報信号に非ゼロ平均ガウス入力分布を用いることで、レート・エネルギートレードオフの観点で、従来のゼロ平均ガウス入力よりも優れた性能が得られる。
• ポリノミアル最適化フレームワークは、非線形エネルギー収率挙動を的確に捉え、適応的波形設計を可能にした。