[논문 리뷰] MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

Rui Zhang, Chin Keong Ho|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 25.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 17인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 브로드캐스트를 통한 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 조사하며, 다양한 수신기 구성에서 스펙트럼 효율성과 에너지 수확을 극대화하기 위한 최적의 전송 전략을 제안한다. 수신기 구성에 따라 시간 분할 및 전력 분할 기법이 최적의 균일 전력 분할 기법과 동일한 비율-에너지 트레이드오프를 달성함을 규명하였으며, 이는 채널 고유값에 의해 유도된 임계 임계 전력 이하에서 성립한다.

ABSTRACT

Wireless power transfer (WPT) is a promising new solution to provide convenient and perpetual energy supplies to wireless networks. In practice, WPT is implementable by various technologies such as inductive coupling, magnetic resonate coupling, and electromagnetic (EM) radiation, for short-/mid-/long-range applications, respectively. In this paper, we consider the EM or radio signal enabled WPT in particular. Since radio signals can carry energy as well as information at the same time, a unified study on simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) is pursued. Specifically, this paper studies a multiple-input multiple-output (MIMO) wireless broadcast system consisting of three nodes, where one receiver harvests energy and another receiver decodes information separately from the signals sent by a common transmitter, and all the transmitter and receivers may be equipped with multiple antennas. Two scenarios are examined, in which the information receiver and energy receiver are separated and see different MIMO channels from the transmitter, or co-located and see the identical MIMO channel from the transmitter. For the case of separated receivers, we derive the optimal transmission strategy to achieve different tradeoffs for maximal information rate versus energy transfer, which are characterized by the boundary of a so-called rate-energy (R-E) region. For the case of co-located receivers, we show an outer bound for the achievable R-E region due to the potential limitation that practical energy harvesting receivers are not yet able to decode information directly. Under this constraint, we investigate two practical designs for the co-located receiver case, namely time switching and power splitting, and characterize their achievable R-E regions in comparison to the outer bound.

연구 동기 및 목표

• 에너지 제약이 있는 무선 네트워크, 특히 센서 및 IoT 애플리케이션에서의 도전 과제를 해결하기 위해.
• MIMO 브로드캐스트 채널에서 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)의 실현 가능성과 성능 한계를 탐색하기 위해.
• 정보 수신기와 에너지 수신기가 분리되어 있는지 또는 동일 위치에 있는지에 따라 다른 수신기 구성에서의 비율-에너지(R-E) 영역을 특성화하기 위해.
• 실용적인 SWIPT 기법인 시간 분할 및 전력 분할 기법을 이론적 외부 경계 및 최적의 전략과 비교하기 위해.
• 실용적인 기법이 최적의 균일 전력 분할 기법과 동일한 R-E 트레이드오프를 달성하는 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 단일 송신기, 하나의 정보 수신기, 하나의 에너지 수신기를 갖춘 MIMO 브로드캐스트 모델을 제안하며, 각 수신기는 다중 안테나를 장착한다.
• 정보 수신기와 에너지 수신기가 분리된 경우, 비율-에너지(R-E) 영역의 파레토 경계를 달성하기 위해 최적의 조절 전송 전략을 유도한다.
• 에너지 수신기가 정보를 복원할 수 없다는 실용적 제약으로 인해, 공통 수신기 구성에 대한 R-E 영역의 외부 경계를 제시한다.
• 공통 수신기 구성에 대해 실용적인 두 기법인 시간 분할 및 전력 분할 기법을 분석하며, 각각의 구현 가능한 R-E 영역을 유도한다.
• 수력 분배 전력 할당 및 빔포밍을 사용하여 전력 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 최적화한다.
• 임계 전력 임계값 $ P = \frac{1}{h_2} - \frac{1}{h_1} $을 규명하였으며, 이 이하에서는 시간 분할 및 균일 전력 분할 기법이 동일한 R-E 트레이드오프를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정보 수신기와 에너지 수신기가 분리된 MIMO 브로드캐스트 채널에서, 최소 에너지 전송 수준을 확보하면서 정보 전송률을 극대화하기 위한 최적의 전송 전략은 무엇인가?
• RQ2 정보 수신기와 에너지 수신기가 동일 위치에 있는 경우와 분리된 경우, 구현 가능한 비율-에너지(R-E) 영역은 어떻게 다를까?
• RQ3 실용적인 SWIPT 기법인 시간 분할 및 전력 분할 기법이 최적의 균일 전력 분할 기법과 동일한 성능을 달성하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 공통 수신기 구성에 대한 R-E 영역의 기본 한계는 무엇이며, 실용적인 기법은 이 외부 경계와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 MIMO 채널의 구조(고유값 $ h_1, h_2 $)는 SWIPT 시스템의 성능 트레이드오프에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 같은 전력 제약 조건 하에서 시간 분할(TS) 기법은 균일 전력 분할(UPS) 기법보다 더 높은 정보 전송률을 달성하며, $ R_{\rm TS} \geq R_{\rm UPS} $ 를 증명한다.
• 피크 전송 전력 $ P \leq \frac{1}{h_2} - \frac{1}{h_1} $ 일 경우, 시간 분할 및 균일 전력 분할 기법의 구현 가능한 R-E 영역은 동일하다.
• $ P > \frac{1}{h_2} - \frac{1}{h_1} $ 인 경우, 시간 분할 기법에서 최적의 전송 공분산 행렬의 질량이 1을 초과하지만, 균일 전력 분할 기법은 성능을 동일하게 유지하기 위해 질량 1 빔포밍을 요구하므로, 이는 근본적인 갈등을 야기하며 동일성 달성을 방해한다.
• 공통 수신기 구성에 대한 R-E 영역 외부 경계는 에너지 수신기가 정보를 복원할 수 있을 때에만 날카롭게 작용하며, 실질적으로는 불가능하므로 성능 향상에 제한을 둔다.
• 전송 전력이 높아질수록 채널 고유값의 차이가 클수록 실용적 기법과 이론적 외부 경계 사이의 성능 격차가 커진다.
• 임계 전력 $ P = \frac{1}{h_2} - \frac{1}{h_1} $ 는 이 이상이 되면 균일 전력 분할 기법의 질량 1 제약과 시간 분할 기법의 다중 스트림 전송 요구 사항 간의 갈등으로 인해 단순 기법으로는 R-E 트레이드오프를 재현할 수 없음을 나타낸다.