[논문 리뷰] Waveform and Transceiver Design for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer.

Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 19.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 송신기에서 다중선형(에너지)과 OFDM(정보) 웨이브포맷을 중첩하여 전송하고 수신기에서 전력 분할 방식을 사용해 동시에 데이터 복원과 에너지 수확을 수행하는 새로운 SWIPT 송수신기 아키텍처를 제안한다. 시스템은 정류기 비선형성과 채널 상태 정보 기반의 적응형 설계를 활용하여 중첩 웨이브포맷을 최적화함으로써 비율-에너지 영역을 극대화하며, 영향을 받는 평균이 0이 아닌 가우시안 신호가 전통적인 평균이 0인 입력보다 성능이 뛰어남을 보여준다.

ABSTRACT

Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) has attracted significant attention in the communication community. The problem of waveform design has however never been addressed so far. In this paper, we first investigate how a communication waveform (OFDM) and a power waveform (multisine) compare with each other in terms of harvested energy. We show that due to the non-linearity of the rectifier and the randomness of the information symbols, the OFDM waveform is less efficient than the multisine waveform for wireless power transfer. This observation motivates the design of a novel SWIPT transceiver architecture 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. The superposed SWIPT waveform is optimized so as to maximize the rate-energy region of the whole system. Its design is 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. Key (and refreshing) observations are that 1) a power waveform (superposed to a communication waveform) is useful to enlarge the rate-energy region of SWIPT, 2) a combination of power splitting and time sharing is in general the best strategy, 3) exploiting the nonlinearity of the rectifier is essential to design efficient SWIPT architecture, 4) a non-zero mean Gaussian input distribution outperforms the conventional capacity-achieving zero-mean Gaussian input distribution.

연구 동기 및 목표

• SWIPT 시스템에서 웨이브포맷 설계에 대해 탐색되지 않은 문제, 특히 정보 전송률과 에너지 수확 효율성 간의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 정류기의 비선형성과 정보 기호의 무작위성 고려 시, OFDM 또는 다중선형 웨이브포맷 중 어느 것이 무선 전력 전송에 더 효과적인지 조사하기 위해.
• 다중선형과 OFDM 웨이브포맷을 융합하여 시스템의 비율-에너지 영역을 극대화하는 새로운 송수신기 아키텍처를 설계하기 위해.
• 채널 상태 정보를 기반으로 웨이브포맷 파arameter를 동적으로 조정하여 비선형 에너지 수확 장치의 거동를 고려한 적응형 중첩 웨이브포맷 최적화를 수행하기 위해.
• 비율-에너지 상충 관계 측면에서 기존의 평균이 0인 입력보다 평균이 0이 아닌 가우시안 입력 분포가 SWIPT 시스템에서 더 우수한 성능을 보이는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 제안된 아키텍처는 송신기에서 다중선형 웨이브포맷(에너지용)과 OFDM 웨이브포맷(정보용)을 중첩하여 전송한다.
• 수신기에서는 전력 분할기가 신호의 일부를 에너지 수확 장치로, 나머지 일부를 정보 복원기로 분배함으로써 동시에 작동이 가능하도록 한다.
• 정류기 모델의 비선형 특성에서 유도된 포지노미얼 최대화 문제를 통해 웨이브포맷을 최적화한다.
• 채널 상태 정보에 적응하여 웨이브포맷 파arameter를 동적으로 조정함으로써 비율과 에너지 성능 간 균형을 유지할 수 있도록 한다.
• 정보 신호에 대해 평균이 0이 아닌 가우시안 입력 분포를 도입하며, 이는 평균이 0인 분포보다 성능이 뛰어남을 입증한다.
• 수치적 결과는 전력 분할 및 시간 공유를 포함한 다양한 구성에서의 비율-에너지 영역을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정류기의 비선형성과 무작위 정보 기호 조건 하에서 OFDM과 다중선형 웨이브포맷은 에너지 수확 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 다중선형과 OFDM을 융합한 초과 웨이브포맷이 SWIPT 시스템의 비율-에너지 영역 향상에 기여하는가?
• RQ3 에너지 수확과 정보 복원 간 균형을 맞추는 데 가장 효과적인 전략은 전력 분할, 시간 공유, 또는 하이브리드 전략인가?
• RQ4 정류기의 비선형성은 SWIPT 웨이브포맷의 설계와 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비율-에너지 상충 관계 측면에서 평균이 0이 아닌 가우시안 입력 분포를 사용할 경우 기존의 평균이 0인 가우시안 입력보다 성능이 향상되는가?

주요 결과

• 정류기의 비선형성과 정보 기호의 무작위성으로 인해 다중선형 웨이브포맷이 에너지 수확 측면에서 OFDM을 능가한다.
• 다중선형과 OFDM을 융합한 초과 웨이브포맷은 단독으로 사용되는 웨이브포맷보다 비율-에너지 영역을 크게 증대시킨다.
• 전력 분할과 시간 공유를 융합한 하이브리드 전략이 일반적으로 비율-에너지 상충 관계에서 최고의 성능을 달성한다.
• 고성능 SWIPT 시스템 설계를 위해서는 정류기의 비선형성을 적극적으로 활용하는 것이 필수적이다.
• 정보 신호에 대해 평균이 0이 아닌 가우시안 입력 분포를 사용할 경우, 비율-에너지 상충 관계 측면에서 기존의 평균이 0인 가우시안 입력보다 성능이 뛰어나다.
• 포지노미얼 최적화 프레임워크는 비선형 에너지 수확 거동을 효과적으로 모델링하고 적응형 웨이브포맷 설계를 가능하게 한다.