[논문 리뷰] Wireless Information and Power Transfer: Architecture Design and Rate-Energy Tradeoff

Xun Zhou, Rui Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 03.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 18인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 동적 전력 분할(DPS)을 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 위한 일반적인 수신기 아키텍처로 제안하여, 데이터 전송률과 수확된 에너지 간의 조절 가능한 트레이드오프를 가능하게 한다. 실용적인 수신기의 회로 전력 소모를 고려할 경우, on-off 전력 분할(OPS)이 최적임을 보이며, 회로 전력 소모가 없는 이상적인 경우에는 정적 전력 분할(SPS)이 최적임을 규명하여, 분리형 및 통합형 수신기 설계에 대한 비율-에너지(R-E) 영역을 특성화한다.

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).

연구 동기 및 목표

• 현재 에너지 수확 회로의 하드웨어 제약 조건을 고려할 때, RF 신호로부터 정보를 복원하고 에너지를 수확할 수 있는 수신기 설계의 실용적 과제를 해결하기 위해.
• 가변적인 전력 분할 비율을 통해 정보 전송률과 에너지 수확 간의 민감한 트레이드오프를 가능하게 하는 일반적인 수신기 아키텍처를 개발하기 위해.
• 분리형 및 통합형 수신기 아키텍처 간의 성능을 비교하여, 현실적인 조건에서 비율-에너지(R-E) 트레이드오프 측면에서 성능을 평가하기 위해.
• 수신기 회로 전력 소모를 고려하여, 달성 가능한 비율-에너지 영역을 최대화하는 최적의 전송 전략을 도출하기 위해.
• 시간 스위칭(TS), 정적 전력 분할(SPS), on-off 전력 분할(OPS)을 동적 전력 분할(DPS)의 특수 케이스로 간주하여 분석함으로써 실용적인 SWIPT 시스템 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 수신된 RF 신호를 정보 및 에너지 신호로 분할하는 가변 전력 비율을 가진 동적 전력 분할(DPS)을 일반적인 수신기 동작으로 도입한다.
• 가우시안 복합 가우시안 잡음과 채널 fading을 고려한 신호 모델을 사용하여, 다양한 전력 분할 비율에서 달성 가능한 모든 비율-에너지 쌍의 합집합으로서의 비율-에너지(R-E) 영역을 유도한다.
• 두 가지 수신기 아키텍처를 제안한다: 분리형(정보 및 에너지 수신기 전용)과 통합형(공유된 프론트엔드 구성 요소를 가짐), 후자는 더 작은 폼 팩터를 제공한다.
• DPS의 세 가지 특수 케이스를 분석한다: 시간 스위칭(TS), 정적 전력 분할(SPS), on-off 전력 분할(OPS)이며, TS와 SPS가 모두 OPS의 특수 케이스임을 보여준다.
• 제이슨의 부등식을 사용하여 이상적인 조건(회로 전력 소모 없음)에서는 SPS가 DPS보다 더 큰 R-E 영역을 달성함을 증명하며, 회로 전력 소모를 고려할 경우 OPS가 가장 큰 R-E 영역을 달성함을 보여준다.
• 제약 조건이 있는 최적화 문제를 해결하여, 최소 에너지 요구 조건을 충족시키는 조건에서 데이터 전송률을 최대화하는 최적의 전송 전략을 두 수신기 유형 모두에 대해 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적인 수신기 회로 전력 소모 조건에서 SWIPT 시스템의 비율-에너지 트레이드오프를 최대화하기 위한 최적의 전력 분할 전략은 무엇인가?
• RQ2 SWIPT 시스템에서 분리형 및 통합형 수신기 아키텍처 간의 성능과 달성 가능한 비율-에너지 영역은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 정적 전력 분할(SPS)이 동적 전력 분할(DPS) 또는 on-off 전력 분할(OPS)보다 최적일 수 있는 조건는 무엇인가?
• RQ4 수신기 회로 전력 소모가 고려될 경우, SWIPT 시스템의 최적 설계 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 정보 전송률과 수확된 에너지 간의 근본적인 트레이드오프는 무엇이며, 실용적인 하드웨어 제약 조건 하에서 이를 어떻게 최대화할 수 있는가?

주요 결과

• 수신기 회로 전력 소모를 고려할 경우, on-off 전력 분할(OPS)은 분리형 및 통합형 수신기 모두에서 최적의 전력 분할 전략이며, 이는 달성 가능한 비율-에너지 영역을 최대화하기 때문이다.
• 회로 전력 소모가 없는 이상적인 조건에서는 정적 전력 분할(SPS)이 가장 큰 비율-에너지 영역을 달성하므로, 두 수신기 아키텍처 모두에서 최적이다.
• 동일한 에너지 요구 조건 하에서 통합형 수신기 아키텍처는 분리형 아키텍처보다 더 높은 데이터 전송률을 달성한다. 이는 더 낮은 회로 전력 소모 덕분이다.
• 두 아키텍처의 비율-에너지(R-E) 영역은 다양한 전력 분할 비율에서 달성 가능한 모든 비율-에너지 쌍의 합집합으로 특성화되며, 특정 조건 하에서는 영역이 볼록함을 보인다.
• 주어진 에너지 요구 조건 하에서 최적의 시간 스위칭 비율을 유도하였으며, 이는 동일한 에너지 목표를 달성하기 위해 분리형 수신기가 통합형 수신기보다 더 높은 스위칭 시간이 필요함을 보여준다.
• 실용적인 변조 조건 하에서의 성능 분석을 통해 유도된 최적 전략이 효과적임을 확인하였으며, 이는 실제 SWIPT 시스템 설계에 대한 통찰을 제공한다.