[论文解读] Wireless Powered Communications with Finite Battery and Finite Blocklength

Onel L. Alcaraz López, Evelio Fernández+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 62被引用 4

一句话总结

本文研究了在有限块长和有限电池容量约束下的无线能量通信网络，提出了一种功率控制协议，显著提升了误码概率和能量效率。通过建模能量积累过程，并在Nakagami-m衰落信道下优化传输策略，研究揭示了唯一的最优误码概率，且表明即使小容量电池也会限制系统性能，尤其是在能量积累场景下。

ABSTRACT

We analyze a wireless communication system with finite block length and finite battery energy, under quasi-static Nakagami-m fading. Wireless energy transfer is carried out in the downlink while information transfer occurs in the uplink. Transmission strategies for scenarios with/without energy accumulation between transmission rounds are characterized in terms of error probability and energy consumption. A power control protocol for the energy accumulation scenario is proposed and results show the enormous impact on improving the system performance, in terms of error probability and energy consumption. The numerical results corroborate the existence and uniqueness of an optimum target error probability, while showing that a relatively small battery could be a limiting factor for some setups, specially when using the energy accumulation strategy.

研究动机与目标

• 分析在有限块长和有限电池容量等现实约束下的无线能量通信网络性能。
• 研究在准静态 Nakagami-m 衰落信道中，多轮传输间能量积累对误码概率和能耗的影响。
• 设计并评估一种在有限约束下优化系统性能的功率控制协议。
• 确定在所提出的系统模型下是否存在最优目标误码概率。
• 识别小电池容量带来的性能限制，尤其是在采用能量积累策略时。

提出的方法

• 建立两阶段系统模型：下行链路无线能量传输与上行链路信息传输，信道为准静态 Nakagami-m 衰落。
• 提出一种专为能量积累场景设计的功率控制协议，根据采集到的能量和信道条件动态调整发射功率。
• 采用有限块长信息论方法，表征在给定块长和目标误码概率下的最大可实现速率，替代传统的香农容量假设。
• 利用不完全伽马函数和统计信道模型，推导出中断概率和平均功率消耗的解析表达式。
• 通过数值仿真（最多 5×10⁷ 次信道样本）估计误码概率的二阶导数，验证误码性能曲线的凸性。
• 考虑电池容量、块长、衰落严重度（m）以及能量采集效率等系统参数，评估各类权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有有限块长和有限电池容量的无线能量通信系统中，是否存在唯一的最优目标误码概率？
• RQ2 在有限电池系统中，多轮传输间能量积累如何影响误码概率和能耗？
• RQ3 在采用能量积累策略时，小电池容量在多大程度上限制系统性能？
• RQ4 系统性能如何随不同块长、衰落严重度（m）和能量采集参数变化？
• RQ5 能否设计一种功率控制协议，在有限资源约束下显著提升误码概率和能量效率？

主要发现

• 通过所有测试参数组合下误码概率函数的凸性，证实了系统存在唯一的最优目标误码概率。
• 所提出的功率控制协议在能量积累场景下，显著改善了误码概率和能耗表现。
• 即使电池容量仅为 10⁻⁷ J 的较小值，也可能成为系统性能的限制因素，尤其是在采用能量积累时。
• 数值结果表明，所有测试配置下误码概率函数的二阶导数均保持非负，验证了误码性能曲线的凸性。
• 平均功率消耗通过不完全伽马函数解析推导得出，使得在有限电池和块长约束下能够实现精确的性能评估。
• 能量采集效率、路径损耗和块长等系统参数可通过参数 Λ 和 Υ 有效建模，从而实现灵活的性能分析。