[論文レビュー] Wireless Information and Power Transfer: Architecture Design and Rate-Energy Tradeoff

Xun Zhou, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、同時無線情報・電力伝送（SWIPT）のための一般化された受信機アーキテクチャとして、動的パワー・スプリッティング（DPS）を提案し、データレートと効率的なエネルギー収集の間で調整可能なトレードオフを実現する。実用的受信機における回路消費電力がある場合、オンオフ・パワー・スプリッティング（OPS）が最適であることが示され、回路消費電力がない理想状態では静的パワー・スプリッティング（SPS）が最適である。両方の受信機設計（分離型と統合型）におけるレート・エネルギー（R-E）領域を同定している。

ABSTRACT

Simultaneous information and power transfer over the wireless channels potentially offers great convenience to mobile users. Yet practical receiver designs impose technical constraints on its hardware realization, as practical circuits for harvesting energy from radio signals are not yet able to decode the carried information directly. To make theoretical progress, we propose a general receiver operation, namely, dynamic power splitting (DPS), which splits the received signal with adjustable power ratio for energy harvesting and information decoding, separately. Three special cases of DPS, namely, time switching (TS), static power splitting (SPS) and on-off power splitting (OPS) are investigated. The TS and SPS schemes can be treated as special cases of OPS. Moreover, we propose two types of practical receiver architectures, namely, separated versus integrated information and energy receivers. The integrated receiver integrates the front-end components of the separated receiver, thus achieving a smaller form factor. The rate-energy tradeoff for the two architectures are characterized by a so-called rate-energy (R-E) region. The optimal transmission strategy is derived to achieve different rate-energy tradeoffs. With receiver circuit power consumption taken into account, it is shown that the OPS scheme is optimal for both receivers. For the ideal case when the receiver circuit does not consume power, the SPS scheme is optimal for both receivers. In addition, we study the performance for the two types of receivers under a realistic system setup that employs practical modulation. Our results provide useful insights to the optimal practical receiver design for simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT).

研究の動機と目的

• 現在のエネルギー収集回路におけるハードウェア制限を考慮して、RF信号から同時に情報を復調し、エネルギーを収集できる受信機を設計するという実用的課題に対処すること。
• 動的調整可能なパワー・スプリット比により、情報レートとエネルギー収集の間で柔軟なトレードオフを実現する一般化された受信機アーキテクチャを開発すること。
• 分離型と統合型の2つの受信機アーキテクチャを比較し、現実的な条件下でのレート・エネルギー（R-E）トレードオフの観点からその性能を評価すること。
• 受信機の回路消費電力も考慮に入れた最適な送信戦略を導出し、達成可能なレート・エネルギー領域を最大化すること。
• 時間スイッチング（TS）、静的パワー・スプリッティング（SPS）、オンオフ・パワー・スプリッティング（OPS）を動的パワー・スプリッティング（DPS）の特殊ケースとして分析し、実用的SWIPTシステムの設計指針を提供すること。

提案手法

• 受信したRF信号を情報とエネルギーの2つのストリームに、調整可能なパワー比で分割する一般化された受信動作として、動的パワー・スプリッティング（DPS）を導入する。
• 加法性ノイズとチャネルフェージングを含む信号モデルを用い、異なるパワー・スプリット比におけるすべての達成可能なレート・エネルギー対の集合として、レート・エネルギー（R-E）領域を導出する。
• 2つの受信機アーキテクチャを提案：分離型（情報用およびエネルギー収集用の専用受信機）と統合型（共通のフロントエンド部品を共有）。後者はより小型化可能である。
• DPSの3つの特殊ケースを分析：時間スイッチング（TS）、静的パワー・スプリッティング（SPS）、オンオフ・パワー・スプリッティング（OPS）。TSとSPSがOPSの特殊ケースであることを示す。
• ジェンセンの不等式を用いて、理想状態（回路消費電力なし）ではSPSがDPSより広いR-E領域を達成することを証明。一方、回路消費電力がある場合にはOPSが最大のR-E領域を達成することを示す。
• 制約付き最適化問題を解くことで、最小エネルギー要件を満たす条件下での最大データレートを達成する最適な送信戦略を、両受信機タイプについて導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的受信機の回路消費電力がある状況において、SWIPTシステムのレート・エネルギートレードオフを最大化する最適なパワー・スプリット戦略は何か？
• RQ2 SWIPTシステムにおける分離型と統合型の受信機アーキテクチャの性能と達成可能なレート・エネルギー領域は、どのように比較できるか？
• RQ3 静的パワー・スプリッティング（SPS）が動的パワー・スプリッティング（DPS）やオンオフ・パワー・スプリッティング（OPS）よりも最適となる条件は何か？
• RQ4 受信機の回路消費電力の考慮が、SWIPTシステムの最適設計と性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 情報レートと収集エネルギーの根本的トレードオフは何か？ そして、実用的ハードウェア制約のもとで、どのようにしてこれを最大化できるか？

主な発見

• 受信機の回路消費電力がある場合、オンオフ・パワー・スプリッティング（OPS）は分離型および統合型両受信機において最適なパワー・スプリット戦略であり、達成可能なレート・エネルギー領域を最大にする。
• 回路消費電力がない理想状態では、静的パワー・スプリッティング（SPS）が最大のレート・エネルギー領域を達成し、両アーキテクチャにおいて最適である。
• 統合型受信機アーキテクチャは、同じエネルギー要件のもとで分離型アーキテクチャよりも高いデータレートを達成する。これは、回路消費電力が低いためである。
• 両アーキテクチャのレート・エネルギー（R-E）領域は、異なるパワー・スプリット比におけるすべての達成可能なレート・エネルギー対の集合として同定され、特定の条件下では領域が凹型であることが示された。
• 所定のエネルギー要件に対して最適な時間スイッチング比が導出され、分離型受信機は同じエネルギー目標を達成するため、統合型受信機よりも高いスイッチング時間を要することが示された。
• 実用的変調を想定した性能解析により、導出された最適戦略が有効であることが確認され、実世界のSWIPTシステムにおける設計インサイトが得られた。