[论文解读] Recent Advances in Joint Wireless Energy and Information Transfer

Suzhi Bi, Chin Keong Ho+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 42被引用 3

一句话总结

本文综述了近年来在同时无线信息与能量传输（SWIPT）和无线回传通信网络（WPCN）方面的进展，重点关注基于射频（RF）的能量传输在低功耗设备中的应用。论文提出了联合信号设计与资源分配方案，以最大化频谱效率与能量采集效率，结果表明大规模MIMO和全双工操作可显著提升网络吞吐量与公平性，同时缓解双重远近问题。

ABSTRACT

In this paper, we provide an overview of the recent advances in microwave-enabled wireless energy transfer (WET) technologies and their applications in wireless communications. Specifically, we divide our discussions into three parts. First, we introduce the state-of-the-art WET technologies and the signal processing techniques to maximize the energy transfer efficiency. Then, we discuss an interesting paradigm named simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT), where energy and information are jointly transmitted using the same radio waveform. At last, we review the recent progress in wireless powered communication networks (WPCN), where wireless devices communicate using the power harvested by means of WET. Extensions and future directions are also discussed in each of these areas.

研究动机与目标

• 分析基于射频的无线能量传输（WET）在为低功耗无线设备供电方面的最新进展。
• 研究在频谱高效通信系统中，同时无线信息与能量传输（SWIPT）的设计与性能增益。
• 探讨无线回传通信网络（WPCN）中的挑战与机遇，特别是在资源分配与公平性方面。
• 考察大规模MIMO与全双工操作对WPCN性能与能效的影响。
• 识别WPCN在信道估计、系统架构与实际部署方面的主要开放问题。

提出的方法

• 建立一个采用能量波束成形的MIMO下行链路系统模型，通过接收端的整流电路最大化采集到的能量。
• 应用能量波束成形与多用户检测（MUD）技术，在SWIPT与WPCN系统中实现能量与信息传输的平衡。
• 利用随机几何方法推导多小区WPCN中使用功率信标（PBs）的中断概率与容量扩展规律。
• 优化下行链路能量传输与上行链路数据传输之间的时间分配，以最大化用户吞吐量总和或最小用户吞吐量。
• 提出用户协作与全双工操作，以缓解WPCN中的双重远近问题。
• 将信道估计整合到系统设计中，联合优化训练、能量传输与数据传输时长。

Figure 1: A generic system model for wireless information and energy transfer.

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过能量波束成形与MIMO技术提升WPCN中基于射频的无线能量传输效率？
• RQ2 在能量与信息同时传输的情况下，SWIPT系统的频谱效率与公平性的性能极限是什么？
• RQ3 功率信标（PBs）的部署及其密度如何影响多小区WPCN中的中断概率与网络容量？
• RQ4 大规模MIMO与全双工操作在哪些方面能够提升WPCN的性能与可扩展性？
• RQ5 WPCN中联合信道估计的关键挑战是什么？如何通过优化手段同时提升能量与信息传输效率？

主要发现

• 能量波束成形显著提升了基于MIMO的WET中的能量传输效率，实现了长距离与可扩展的电力传输。
• SWIPT通过使用相同波形同时传输能量与信息，其频谱效率高于正交传输方式。
• WPCN中的双重远近问题（即远距离用户能量采集不足且需高发射功率）可通过最大化最小用户吞吐量来缓解。
• 大规模MIMO简化了WPCN中的波束成形与多用户检测，支持高效的多用户接入并提升频谱效率。
• 全双工高空平台站（HAPs）可同时传输能量并接收上行链路数据，但需要先进的自干扰消除技术。
• 随机几何模型表明，增加PB密度并采用定向波束成形可降低多小区WPCN中的传输中断概率。

Figure 2: Structure of an RF energy receiver using a rectifying circuit [ 2 ] .