[论文解读] Waveform and Transceiver Design for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer.

Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的SWIPT收发器架构，该架构在发射端将多音（功率）波形与OFDM（信息）波形叠加，利用功率分配接收机同时解码数据并采集能量。该系统通过利用整流器非线性特性和基于信道状态信息的自适应设计，优化叠加波形以最大化速率-能量区域，结果表明非零均值高斯信号比传统零均值输入表现更优。

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.

研究动机与目标

• 为解决SWIPT系统中波形设计这一未被探索的问题，特别是信息速率与能量采集效率之间的权衡。
• 研究在整流器非线性特性和信息符号随机性条件下，OFDM与多音波形在无线能量传输中的有效性比较。
• 设计一种新型收发器架构，结合多音与OFDM波形以最大化系统的速率-能量区域。
• 利用信道状态信息自适应优化叠加波形，考虑能量采集器的非线性行为。
• 评估非零均值高斯输入分布相较于传统零均值输入在SWIPT系统中的性能表现。

提出的方法

• 所提出的架构在发射端将多音波形（用于能量）与OFDM波形（用于信息）进行叠加传输。
• 在接收端，功率分配器将信号的一部分导向能量采集器，另一部分导向信息解码器，实现并行操作。
• 通过基于整流器模型非线性特性的分式规划问题对波形进行优化。
• 优化过程自适应于信道状态信息，实现波形参数的动态调整，以平衡速率与能量性能。
• 设计中采用信息信号的非零均值高斯输入分布，结果表明其优于零均值分布。
• 通过数值结果评估了在各种配置（包括功率分配与时分复用）下的速率-能量区域性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在整流器非线性特性和随机信息符号条件下，OFDM与多音波形在能量采集效率方面有何差异？
• RQ2 将多音与OFDM波形叠加是否能改善SWIPT系统中的速率-能量区域？
• RQ3 平衡能量采集与信息解码的最佳策略是什么——功率分配、时分复用，还是混合策略？
• RQ4 整流器的非线性特性如何影响SWIPT波形的设计与性能？
• RQ5 在SWIPT系统中，使用非零均值高斯输入分布是否优于传统的零均值高斯输入？

主要发现

• 由于整流器的非线性特性和信息符号的随机性，多音波形在能量采集方面优于OFDM。
• 多音与OFDM波形的叠加显著扩大了速率-能量区域，相较于单一波形表现更优。
• 结合功率分配与时分复用的混合策略在速率-能量权衡中通常表现最佳。
• 利用整流器的非线性特性对于设计高性能SWIPT系统至关重要。
• 在速率-能量权衡方面，信息信号采用非零均值高斯输入分布优于传统的零均值高斯输入。
• 分式规划优化框架成功捕捉了非线性能量采集行为，并实现了自适应波形设计。