[論文レビュー] Waveform Optimization for SWIPT with Nonlinear Energy Harvester Modeling

Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、エネルギー効率の高い非線形エネルギー効率ハーベスターモデルを考慮した、MISO SWIPTトランシieverアーキテクチャを提案する。このアーキテクチャでは、多重正弦波形を用いた電力伝送（WPT）とOFDM波形を用いた情報伝送（WIT）を重畳し、両波形を最適化することで、実用的な非線形エネルギー効率ハーベスターモデル下でのレート・エネルギー領域を最大化する。最適化はチャネル状態情報（CSI）を考慮し、逐次幾何プログラミング（successive geometric programming）を用いて非凸ポリノミアル問題を解き、従来の線形モデルに比べ顕著な性能向上を達成する。

ABSTRACT

Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) has attracted significant attention in the communication community. The problem of waveform design for SWIPT has however never been addressed so far. In this paper, a novel SWIPT transceiver architecture is introduced 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 capable of cancelling the multisine waveforms. The SWIPT multisine/OFDM waveforms are optimized so as to maximize the rate-energy region of the whole system. They are 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.

研究の動機と目的

• 整流器の非線形性を考慮しないSWIPTの波形設計の欠如に取り組み、正確なエネルギー効率ハーベスターモデリングに不可欠である。
• 多重正弦波とOFDM波形を重畳して使用する、情報伝送とエネルギー伝送を同時に実現するトランシieverアーキテクチャの開発。
• チャネル状態情報（CSI）に基づいて、送信波形のパワーや情報波形を適応的に最適化し、レート・エネルギー領域を最大化すること。
• 整流器の非線形挙動を2次および4次テイラー項を用いてモデル化し、過度に単純化された線形効率仮定を越える。
• 非凸ポリノミアル問題の局所最適解を反復的幾何プログラミングにより得る実用的な最適化フレームワークの導出。

提案手法

• 送信機が多重正弦波形（WPT用）とOFDM波形（WIT用）を重畳して送信するMISO SWIPTシステムを導入。各アンテナおよびサブキャリアごとに波形をプレコード化。
• 2次および4次項を含む非線形ダイオードモデルを用いてエネルギー効率ハーベスターモデルを構築し、入力波形に依存するRF-DC変換効率の真の依存関係を捉える。
• 多重正弦波とOFDM信号の振幅および受信機でのパワー分割比を同時に最適化する非凸ポリノミアル最大化問題を導出。
• 算術-幾何平均（AM-GM）不等式を用いた逐次幾何プログラミング（GP）を適用し、反復的に重みを更新することで近似をタイトにし、局所最適解に収束させる。
• 専用のエネルギー効率ハーベスターモジュールと、多重正弦波干渉をキャンセル可能な情報デコーダを備えたパワー分離受信機を採用。
• チャネル状態情報（CSI）に依存する設計を採用し、波形パrameterをチャネルに適応させることでシステム性能を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 整流器の非線形性を組み込むことで、SWIPT波形の設計および性能にどのような影響を与えるか？
• RQ2 多重正弦波とOFDM波形の共同最適化は、従来の線形モデルに比べてレート・エネルギートレードオフを改善できるか？
• RQ3 エネルギー効率ハーベスターモデルに非線形性を正確に組み込むと、達成可能なレート・エネルギー領域はどの程度か？
• RQ4 反復的幾何プログラミング手法は、得られる非凸ポリノミアル最適化問題に対してどれほど有効か？
• RQ5 非線形エネルギー効率ハーベスターモデルを考慮しながら、CSIに応じて波形を適応的に変更することで、どの程度の性能向上が達成できるか？

主な発見

• 重畳された多重正弦波とOFDM波形を用いた本稿で提案するSWIPTアーキテクチャは、単一にOFDM波形を送信するシステムに比べ、顕著に拡大されたレート・エネルギー領域を実現する。
• 数値結果から、最適化された波形が、ウォーター・フィリング解や先行研究のWPT専用波形に比べ、より大きなレート・エネルギー領域を達成することが示された。
• アルゴリズムは非凸ポリノミアル問題の局所最適解に収束し、整流器の非線形性の正確なモデル化に起因する性能向上が確認された。
• 4次ダイオードモデルの使用により、真の効率挙動が捉えられ、線形モデルでは非最適または非効率なSWIPT設計が生じる可能性があることが明らかになった。
• M=1およびN=16の場合、最適化されたシステムは、別々にWITまたはWPT用に設計された極端な点よりも高いDC電力と情報レートを達成した。
• 反復的GPに基づく最適化手順は、AM-GM近似を効果的にタイトにし、数回の反復で安定した収束を示した。