[논문 리뷰] Recent Advances in Joint Wireless Energy and Information Transfer

Suzhi Bi, Chin Keong Ho외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 02.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 42인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저전력 장치를 위한 RF 기반 에너지 전송을 중심으로 최근의 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)과 무선 구동 통신 네트워크(WPCN)의 발전을 검토한다. 스펙트럼 효율성과 에너지 수확을 극대화하기 위해 공동 신호 설계 및 자원 할당을 제안하며, 매크로 MIMO와 전량중복 운영이 네트워크 처리량과 공정성을 크게 향상시키고 이중 근거리-원거리 문제를 완화함을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we provide an overview of the recent advances in microwave-enabled wireless energy transfer (WET) technologies and their applications in wireless communications. Specifically, we divide our discussions into three parts. First, we introduce the state-of-the-art WET technologies and the signal processing techniques to maximize the energy transfer efficiency. Then, we discuss an interesting paradigm named simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT), where energy and information are jointly transmitted using the same radio waveform. At last, we review the recent progress in wireless powered communication networks (WPCN), where wireless devices communicate using the power harvested by means of WET. Extensions and future directions are also discussed in each of these areas.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 무선 장치를 구동하기 위한 RF 기반 무선 에너지 전송(WET)의 최근 발전을 분석하기 위해.
• 스펙트럼 효율적인 통신 시스템에서 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)의 설계 및 성능 향상 여부를 조사하기 위해.
• 특히 자원 할당 및 공정성 측면에서 무선 구동 통신 네트워크(WPCN)의 도전 과제와 기회를 탐색하기 위해.
• 매크로 MIMO와 전량중복 운영이 WPCN 성능 및 에너지 효율성에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• WPCN의 채널 추정, 시스템 아키텍처 및 실용적 구현에 있어 핵심 열린 문제를 규명하기 위해.

제안 방법

• 수신기에서 정류 회로를 사용하여 수확된 에너지를 극대화하기 위해 에너지 빔포밍을 적용한 MIMO 다운링크 시스템을 모델링한다.
• SWIPT 및 WPCN 시스템에서 에너지와 정보 전송을 균형 있게 유지하기 위해 에너지 빔포밍과 다중 사용자 검출(MUD)을 적용한다.
• 다중 셀 WPCN에서 전력 비콘(PB)을 고려하여 정규화된 전송 확률과 용량 스케일링 법칙을 유도하기 위해 확률 기하학을 사용한다.
• 합성 또는 최소 사용자 처리량을 극대화하기 위해 다운링크 에너지 전송과 업링크 데이터 전송 간의 시간 할당을 최적화한다.
• WPCN에서 이중 근거리-원거리 문제를 완화하기 위해 사용자 협업 및 전량중복 운영을 제안한다.
• 채널 추정을 시스템 설계에 통합하여 교육, 에너지 전송 및 데이터 전송 시간을 공동으로 최적화한다.

Figure 1: A generic system model for wireless information and energy transfer.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 빔포밍과 MIMO 기술은 WPCN에서 RF 기반 무선 에너지 전송의 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 에너지와 정보를 동시에 전송할 경우, SWIPT 시스템의 스펙트럼 효율성과 공정성 측면에서 성능 한계는 무엇인가?
• RQ3 전력 비콘(PB)의 배치 및 밀도는 다중 셀 WPCN에서 전송 실패 확률과 네트워크 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 매크로 MIMO와 전량중복 운영은 WPCN의 성능 향상과 확장성에 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ5 WPCN에서 공동 채널 추정의 핵심 과제는 무엇이며, 이를 어떻게 해결하여 에너지와 정보 전송을 동시에 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 에너지 빔포밍은 MIMO 기반 WET에서 에너지 전송 효율성을 크게 향상시켜 장거리 및 확장 가능한 전력 공급을 가능하게 한다.
• SWIPT는 동일한 웨이브폼을 에너지와 정보 전송에 동시에 사용하기 때문에 분리 전송 방식보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• WPCN에서 발생하는 이중 근거리-원거리 문제—즉, 먼 거리에 있는 사용자는 낮은 수확 에너지와 높은 전송 전력에 노출됨—은 최소 사용자 처리량을 극대화함으로써 완화될 수 있다.
• 매크로 MIMO는 WPCN에서 빔포밍과 다중 사용자 검출을 단순화하여 효율적인 다중 사용자 액세스와 더 높은 스펙트럼 효율성을 가능하게 한다.
• 전량중복 HAP은 에너지를 동시에 전송하고 업링크 데이터를 수신할 수 있지만, 고도의 자기 간섭 제거 기술이 필요하다.
• 확률 기하학 모델은 PB 밀도를 증가시키고 방향성 빔포밍을 사용할 경우 다중 셀 WPCN에서 전송 실패 확률을 감소시킴을 보여준다.

Figure 2: Structure of an RF energy receiver using a rectifying circuit [ 2 ] .