[논문 리뷰] Multi-Antenna Wireless Energy Transfer for Backscatter Communication Systems

Gang Yang, Chin Keong Ho외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 16.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수신기의 에너지 및 하드웨어 제약으로 인해 F-CSI를 추정하거나 피드백할 수 없는 에너지 제약이 있는 태그를 고려하여, 추정된 백스캐터 채널 상태 정보(BS-CSI) 기반의 에너지 빔포밍을 사용하는 다안테나 무선 에너지 전송(WET)을 제안한다. 주요 기여는 최적화된 WET가 추정된 BS-CSI를 사용할 경우 완벽한 F-CSI를 사용할 때 얻을 수 있는 수확 에너지의 90% 이상을 달성한다는 점으로, 이는 RFID 및 저전력 IoT 시스템에 매우 실용적이다.

ABSTRACT

We study RF-enabled wireless energy transfer (WET) via energy beamforming, from a multi-antenna energy transmitter (ET) to multiple energy receivers (ERs) in a backscatter communication system, such as RFID, where each ER (or RFID tag) reflects back a portion of the incident signal to the ET (or RFID reader). For such a system, the acquisition of the forward-channel (i.e., ET-to-ER) state information (F-CSI) at the ET is challenging, since the ERs are typically too energy-and-hardware-constrained to estimate or feed back the F-CSI. The ET leverages its observed backscatter signals to estimate the backscatter-channel (i.e., ET-to-ER-to-ET) state information (BS-CSI) directly. We first analyze the harvested energy obtained by using the estimated BS-CSI. Furthermore, we optimize the channel-training energy and the energy allocation weights for different energy beams, for weighted-sum-energy (WSE) maximization and proportional-fair-energy (PFE) maximization. For WET to single ER, we obtain the optimal channel-training energy in a semi-closed form. For WET to multiple ERs, the optimal WET scheme for WSE maximization is shown to use only one energy beam. For PFE maximization, we show it is a biconvex problem, and propose a block-coordinate-descent based algorithm to find the close-to-optimal solution. Numerical results show that with the optimized solutions, the harvested energy suffers slight reduction of less than 10%, compared to that obtained by using the perfect F-CSI. Hence, energy beamforming by using the estimated BS-CSI is promising, as the complexity and energy requirement is shifted from the ERs to the ET.

연구 동기 및 목표

• 백스캐터 시스템에서 태그가 F-CSI를 추정하거나 피드백할 수 없을 정도로 에너지 및 하드웨어가 제약된 상황에서 에너지 송신기(ET)가 전방 채널 상태 정보(F-CSI)를 확보하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 태그로부터 F-CSI 피드백이 필요 없이 에너지 빔포밍을 통한 효율적인 무선 에너지 전송(WET)을 가능하게 한다.
• 가중합 에너지 최대화 및 비례 공정성 보장을 위해 자원 할당 전략—채널 훈련 에너지 및 빔포밍 가중치—을 개발한다.
• ET에서 백스캐터 채널 상태 정보(BC-CSI)를 추정함으로써 태그의 복잡도와 에너지 소비에 미치는 영향을 최소화하면서도 고성능의 WET를 실현할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• ET는 수신한 백스캐터 신호로부터 직접적으로 백스캐터 채널 상태 정보(BC-CSI)를 추정하여 태그 기반의 F-CSI 피드백이 필요 없도록 한다.
• WSE 최대화를 위해 최적의 WET 방식은 다수의 에너지 수신기(ER)를 동시에 서비스할 경우 단일 에너지 빔만을 사용함을 보여준다.
• 비례 공정 에너지(PFE) 최대화를 위해 문제를 이중볼록 최적화 문제로 공식화하고, 블록좌표강하 알고리즘을 통해 해결한다.
• 단일-ER 시스템의 경우 채널 훈련 에너지를 반폐쇄형으로 최적화하고, 다중-ER 시스템의 경우 빔포밍 가중치를 공동으로 최적화한다.
• 이 방법은 백스캐터 채널의 상호성에 기반하며, ET가 ET→ER→ET 경로의 왕복 신호를 관측하여 채널 조건을 추론할 수 있음을 활용한다.
• 이론적 분석을 통해 신호 대 잡음비와 하드웨어 제약과 같은 시스템 파라미터에 기반하여 최적의 채널 훈련 전력이 0 또는 양수일 조건을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 제약이 있는 태그가 전방 채널 상태 정보(F-CSI)를 추정하거나 피드백할 필요 없이 백스캐터 시스템에서 효율적인 무선 에너지 전송(WET)을 수행할 수 있는가?
• RQ2 추정된 BS-CSI를 사용한 WET의 성능은 완벽한 F-CSI를 사용할 경우에 비해 수확 에너지 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 다안테나 WET 시스템에서 가중합 에너지를 최대화하기 위해 채널 훈련 에너지와 빔포밍 가중치를 최적의 방식으로 할당하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 다중-ER 백스캐터 시스템에서 비례 공정 에너지 할당 전략을 설계하고 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 다중-ER 백스캐터 시스템에서 WET에 대해 단일 에너지 빔만을 사용하는 것이 최적일 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 추정된 BS-CSI를 사용하는 제안된 WET 방식은 완벽한 F-CSI를 사용할 경우에 비해 90% 이상의 수확 에너지를 달성하여 성능 저하가 최소화됨을 나타낸다.
• 다중-ER 시스템에서 WSE 최대화를 위해 최적의 빔포밍 전략은 단일 에너지 빔만을 사용하므로, 시스템 설계를 단순화하고 간섭을 줄인다.
• PFE 최대화 문제는 이중볼록이며, 블록좌표강하 알고리즘을 통해 해를 구할 수 있으며 수렴성이 보장되고 근사 최적해에 도달한다.
• 단일-ER 시스템의 최적 채널 훈련 에너지는 평균 전력과 채널 분산과 같은 시스템 파라미터에 따라 반폐쇄형으로 유도된다.
• 잡음 전력이 충분히 높을 경우, 신호 대 잡음비가 너무 낮아 훈련의 이점이 없기 때문에 최적의 채널 훈련 전력은 0이 된다.
• 유도된 최적의 빔포밍 가중치는 다수의 태그 간 에너지 수확의 비례 공정성을 보장하여 사용자 간 성능 균형을 맞춘다.