[論文レビュー] Waveform Optimization for Radio-Frequency Wireless Power Transfer

Mohammad R. Vedady Moghadam, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用数 34

ひとこと要約

本稿は、テイラー展開を用いない非線形整流素子モデルを提案し、RF無線電力伝送（WPT）におけるダイオードの動作を正確に捉える。送信電力制約下で収集されるDC電力の最大化を目的としたマルチシン信号波形最適化問題を定式化し、低複雑性の2つの解法を導入する：周波数ドメインにおける最大比率送信（MRT）と二次制約付き線形プログラミングを用いた逐次凸プログラミング（SCP-QCLP）。これらの手法は、従来手法に比べて効率性と計算速度の両面で優れている。

ABSTRACT

In this paper, we study the waveform design problem for a single-input single-output (SISO) radio-frequency (RF) wireless power transfer (WPT) system in frequency-selective channels. First, based on the actual non-linear current-voltage model of the diode at the energy receiver, we derive a semi-closed-form expression for the deliverable DC voltage in terms of the incident RF signal and hence obtain the average harvested power. Next, by adopting a multisine waveform structure for the transmit signal of the energy transmitter, we jointly design the multisine signal amplitudes and phases overall frequency tones according to the channel state information (CSI) to maximize the deliverable DC voltage or harvested power. Although our formulated problem is non-convex and difficult to solve, we propose two suboptimal solutions to it, based on the frequency-domain maximal ratio transmission (MRT) principle and the sequential convex optimization (SCP) technique, respectively. Using various simulations, the performance gain of our solutions over the existing waveform designs is shown.

研究の動機と目的

• RF WPTにおける線形エネルギー回収（EH）モデルの限界を是正すること。線形モデルは実際のダイオードの非線形性を不正確に表現する。
• テイラー展開を回避し、より正確に整流素子の非線形性を捉える、一般的で回路ベースのEHモデルの構築。
• 送信合計電力制約下で、送信可能なDC電力の最大化を目的としたマルチシン信号波形最適化問題の定式化。
• 非凸最適化問題に対する低複雑性で部分最適な解法の設計。従来手法に比べ、性能と計算速度の両面で優れる。

提案手法

• 非線形ダイオード電流-電圧モデルに基づき、DC電圧の半閉形式表現を導出。これにより、正確な収集電力推定が可能になる。
• マルチシン送信信号構造を仮定し、周波数トーン間の振幅と位相を同時に最適化する非凸最適化問題を定式化。
• 周波数ドメインにおけるMRT解法を提案。各トーンのチャネル利得に応じて送信電力を整合させることで、閉形式での最適化を達成。
• 逐次凸プログラミング（SCP）に基づくQCLPアルゴリズムを開発。反復的に問題を凸二次制約付き線形計画問題（QCLP）に近似し、各ステップで閉形式で解けるようにする。
• 大きなLPFコンデンサ容量の仮定により、時間平均DC電力式を受信信号の指数関数的関数に簡略化。
• 収束基準としてε = 10⁻³を用い、単一周波数線形モデルおよび4次テイラー展開を用いたSCP-GPと比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回路解析に基づく非線形整流素子モデルは、テイラー近似モデルに比べ、収集電力推定の精度をどのように向上させるか？
• RQ2 送信電力制約下で周波数選択フェージングチャネルにおいて、DC電力送達を最大化する最適なマルチシン信号波形設計は何か？
• RQ3 閉形式で得られる周波数ドメインMRT解法は、非線形WPTシステムにおいて従来の単一周波数設計を上回る性能を達成できるか？
• RQ4 送信電力が増加する条件下で、提案されたSCP-QCLPアルゴリズムは、既存のSCP-GP手法と比較して収束速度と精度の面でどのように差をつけるか？
• RQ5 非線形整流を考慮した場合、波形のPAPR（峰対平均電力比）は、収集電力にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• SCP-QCLPアルゴリズムは、全テスト電力レベル（PT）およびトーン数（N）において、最高の収集DC電力を達成。SCP-GPおよび周波数MRTを上回る性能を示した。
• 周波数MRT解法はSCP-QCLPおよびSCP-GPに非常に近い性能を達成。閉形式設計による低複雑性を実現する代替手法として有効。
• 送信電力が増加するに従い、SCP-QCLPとSCP-GPの性能差が拡大。SCP-GPに用いられるテイラー近似モデルは、ダイオード電圧が高くなると精度が著しく低下するため。
• SCP-QCLPは、各反復でより単純なQCLP問題を解くため、SCP-GPに比べて著しく収束が速く、シミュレーションでは収束時間が最大50％短縮された。
• Nが増加する際、周波数MRT解法はSCP-GPを上回る性能を示した。これは、帯域幅に伴う周波数ドメインビームフォーミングのスケーラビリティが優れていることを示している。
• 周波数MRT下での最適化送信信号は最大のPAPRを示したが、DC電力はSCP-QCLPおよびSCP-GPに劣り、ピーク電力のみでは効率が決まらないことを確認した。