[论文解读] AWGN Channel Capacity of Energy Harvesting Transmitters with a Finite Energy Buffer
本文確立了能量採集式發射機配備有限能量緩衝器的AWGN通道之資訊理論容量。證明了馬可夫能量管理策略可達成容量，並提供單字母表達式；隨著緩衝器大小增加，有限緩衝器容量會收斂至無限緩衝器容量。
We consider an AWGN channel with a transmitter powered by an energy harvesting source. The node is equipped with a finite energy buffer. Such a system can be modelled as a channel with side information (about energy in the energy buffer) causally known at the transmitter. The receiver may or may not have the side information. We prove that Markov energy management policies are sufficient to achieve the capacity of the system and provide a single letter characterization for the capacity. The computation of the capacity is expensive. Therefore, we discuss an achievable scheme that is easy to compute. This achievable rate converges to the infinite buffer capacity as the buffer length increases.
研究动机与目标
- 確定具備能量採集式發射機與有限能量緩衝器之AWGN通道之資訊理論容量。
- 建立在發射機具備緩衝器狀態因果知識之情況下，馬可夫能量管理策略足以達成通道容量。
- 當接收機具備緩衝器狀態資訊（BSIR）時，推導單字母容量表達式。
- 使用香農策略分析接收機缺乏緩衝器狀態資訊時之容量。
- 證明有限緩衝器系統之容量會隨著緩衝器大小增加而收斂至無限緩衝器容量。
提出的方法
- 將系統建模為發射機具備緩衝器狀態因果側資訊之通道，能量採集以獨立同分佈之隨機變數建模。
- 使用馬可夫鏈公式描述能量緩衝器狀態過程，其中所使用之能量僅取決於當前可用能量（含採集之能量）。
- 利用資訊理論技術，推導接收機具備緩衝器狀態資訊（BSIR）之單字母容量表達式。
- 證明達成容量之策略為馬可夫性，其依賴於馬可夫鏈之結構與唯一靜態分佈之存在。
- 引入截斷高斯訊號調變方案與貪婪策略作為低複雜度之可實現速率方案。
- 透過分析能量緩衝器過程之隨機單調性與弱收斂至無限緩衝器情形，展示有限緩衝器容量收斂至無限緩衝器容量。
实验结果
研究问题
- RQ1具備能量採集式發射機與有限能量緩衝器之AWGN通道之資訊理論容量為何？
- RQ2當發射機具備緩衝器狀態資訊時，馬可夫能量管理策略是否足以達成通道容量？
- RQ3有限緩衝器系統之容量與無限緩衝器容量之比較為何？其是否隨緩衝器大小增加而收斂？
- RQ4當接收機缺乏緩衝器狀態資訊（無BSIR）時，容量表達式為何？
- RQ5低複雜度傳輸方案是否可在有限緩衝器架構中達成接近容量之傳輸速率？
主要发现
- 具備接收機緩衝器狀態資訊（BSIR）之有限緩衝器AWGN通道容量，由給定緩衝器狀態下輸入與輸出之間之互資訊之單字母表達式所表徵。
- 當發射機具備緩衝器狀態資訊時，馬可夫能量管理策略足以達成通道容量。
- 隨著緩衝器大小Γ趨近無限大，有限緩衝器系統之容量會收斂至無限緩衝器容量。
- 無限緩衝器容量為 $ \frac{1}{2}\log\left(1 + \frac{\mathbb{E}[Y]}{\sigma^2}\right) $，且有限緩衝器容量會從下方逼近此值。
- 提出透過截斷高斯訊號調變與貪婪策略之可實現速率，其隨著緩衝器大小增加而收斂至無限緩衝器容量。
- 能量緩衝器過程之靜態分佈在緩衝器大小上為隨機非遞減，支持收斂結果。
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