[논문 리뷰] Waveform Optimization for SWIPT with Nonlinear Energy Harvester Modeling

Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 02.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 정보 전송을 위한 OFDM 웨이브폼과 에너지 전송을 위한 다중선택파형을 중첩하여 사용하는 새로운 MISO SWIPT 수신기 아키텍처를 제안한다. 비선형 에너지 수확기 모델을 고려하여 두 웨이브폼을 최적화함으로써, 실용적인 조건에서 비율-에너지 영역을 최대화한다. 최적화 과정은 채널 상태 정보를 반영하며, 연속적인 기하프로그래밍을 통해 비볼록 다항식 문제를 해결하여 기존 선형 모델 대비 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정류기의 비선형성을 반영하지 않은 SWIPT 웨이브폼 설계의 부족을 해결함으로써, 정확한 에너지 수확 모델링에 필수적인 요소를 제공한다.
• 다중선택파형과 OFDM 웨이브폼을 중첩하여 사용하는 수신기 아키텍처를 개발하여 정보 및 에너지 전송을 동시에 지원한다.
• 채널 상태 정보를 기반으로 전력 및 정보 웨이브폼을 적응적으로 최적화하여 비율-에너지 영역을 최대화한다.
• 정류기의 비선형 행동을 제2차 및 제4차 테일러 항을 사용하여 모델링함으로써, 과도하게 단순화된 선형 효율성 가정을 초월한다.
• 반복적 기하프로그래밍을 통해 비볼록 다항식 문제의 국소 최적해를 도출할 수 있는 실용적인 최적화 프레임워크를 유도한다.

제안 방법

• 송신기가 다중선택파형(에너지 전송용)과 OFDM 웨이브폼(정보 전송용)을 중첩하여 전송하는 MISO SWIPT 시스템을 도입하며, 각 안테나 및 서브캐리어별로 전처리를 수행한다.
• 정류기의 비선형 성능을 제2차 및 제4차 항을 포함한 비선형 다이오드 모델로 모델링하여, 입력 웨이브폼에 따른 실제 RF-DC 변환 효율의 의존성을 반영한다.
• 다중선택파형 및 OFDM 신호의 진폭과 수신기에서의 전력 분할 비율을 동시에 최적화하기 위해 비볼록 다항식 최대화 문제를 유도한다.
• 산술-기하 평균(AM-GM) 부등식을 활용한 연속적 기하프로그래밍(GP)을 적용하여 반복적으로 가중치를 업데이트하고, 근사치를 강화함으로써 국소 최적해로 수렴한다.
• 다른 에너지 수확기와 정보 디코더를 갖춘 전력 분할 수신기를 사용하며, 다중선택파형 간섭을 제거할 수 있는 능력을 갖춘다.
• 채널 상태 정보(CSI) 기반 설계를 적용하여, 채널 조건에 맞게 웨이브폼 파rameter를 조정함으로써 시스템 성능을 최대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정류기의 비선형성이 SWIPT 웨이브폼 설계 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다중선택파형과 OFDM 웨이브폼을 함께 최적화하면 기존 선형 모델 대비 비율-에너지 트레이드오프를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 에너지 수확기의 비선형성을 정확히 모델링할 경우 도달 가능한 비율-에너지 영역은 무엇인가?
• RQ4 반복적 기하프로그래밍 접근법은 유도된 비볼록 다항식 최적화 문제를 해결하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 비선형 에너지 수확을 고려하면서 채널 상태 정보에 따라 웨이브폼을 적응적으로 조정하면 어떤 성능 향상이 달성되는가?

주요 결과

• 다중선택파형과 OFDM 웨이브폼을 중첩한 제안된 SWIPT 아키텍처는 단지 OFDM 웨이브폼만 전송하는 시스템 대비 비율-에너지 영역을 크게 증가시킨다.
• 수치적 결과는 최적화된 웨이브폼이 수전파 솔루션과 이전 연구에서 제안한 WPT 전용 웨이브폼보다 더 넓은 비율-에너지 영역을 달성함을 보여준다.
• 알고리즘은 비볼록 다항식 문제의 국소 최적해로 수렴하며, 이 성능 향상은 정류기 비선형성의 정확한 모델링 덕분이다.
• 제4차 다이오드 모델의 사용은 실제 효율 행동을 잘 반영하며, 선형 모델은 비효율적이거나 최적화되지 않은 SWIPT 설계를 초래할 수 있음을 드러낸다.
• M=1 및 N=16 조건에서 최적화된 시스템은 별도의 WIT 또는 WPT 설계의 극단점보다 더 높은 DC 전력과 정보 전송률을 달성한다.
• 반복적 GP 기반 최적화 절차는 AM-GM 근사를 효과적으로 강화하여 몇 번의 반복 내에 안정적인 수렴을 이룬다.