[论文解读] Waveform Optimization for Radio-Frequency Wireless Power Transfer

Mohammad R. Vedady Moghadam, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用 34

一句话总结

本文提出了一种用于射频无线能量传输（WPT）的非线性混频器模型，无需使用泰勒近似即可准确捕捉二极管行为。该文建立了多音信号波形优化问题，旨在在发射功率约束下最大化接收直流功率，并提出两种低复杂度解决方案：频域最大比率传输（MRT）和带二次约束线性规划的序列凸规划（SCP-QCLP），其在效率和计算速度方面均优于现有方法。

ABSTRACT

In this paper, we study the waveform design problem for a single-input single-output (SISO) radio-frequency (RF) wireless power transfer (WPT) system in frequency-selective channels. First, based on the actual non-linear current-voltage model of the diode at the energy receiver, we derive a semi-closed-form expression for the deliverable DC voltage in terms of the incident RF signal and hence obtain the average harvested power. Next, by adopting a multisine waveform structure for the transmit signal of the energy transmitter, we jointly design the multisine signal amplitudes and phases overall frequency tones according to the channel state information (CSI) to maximize the deliverable DC voltage or harvested power. Although our formulated problem is non-convex and difficult to solve, we propose two suboptimal solutions to it, based on the frequency-domain maximal ratio transmission (MRT) principle and the sequential convex optimization (SCP) technique, respectively. Using various simulations, the performance gain of our solutions over the existing waveform designs is shown.

研究动机与目标

• 为解决线性能量采集（EH）模型在射频WPT中无法准确反映实际二极管非线性的局限性。
• 开发一种通用的、基于电路的EH模型，避免使用泰勒近似，以更好地捕捉混频器的非线性特性。
• 建立一个多音信号波形优化问题，旨在在总发射功率约束下最大化可交付的直流功率。
• 设计低复杂度、次优的解决方案，用于求解非凸优化问题，其性能和计算效率均优于现有方法。

提出的方法

• 基于非线性二极管电流-电压模型，推导出直流电压的半闭式表达式，从而实现对能量采集效率的精确估计。
• 假设采用多音发射信号结构，并建立一个非凸优化问题，以联合设计各频率分量的幅度与相位。
• 提出一种频域MRT解决方案，通过在各频率分量上对齐发射功率与信道增益，实现闭式优化。
• 开发一种SCP-QCLP算法，通过在每一步迭代中将问题近似为可闭式求解的凸二次约束线性规划（QCLP）问题。
• 假设大值低通滤波器电容，将时间平均直流功率表达式简化为接收信号的指数函数形式。
• 采用收敛准则 ε = 10⁻³，并与基准方法进行比较，包括单音线性模型和使用四阶泰勒近似的SCP-GP方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于电路分析的非线性混频器模型相比泰勒近似模型，在能量采集效率估计方面能提升多大程度的准确性？
• RQ2 在频率选择性衰落信道中，如何设计最优多音波形以在发射功率约束下最大化直流功率传输？
• RQ3 在非线性WPT系统中，闭式频域MRT方案是否能优于传统单音设计？
• RQ4 在发射功率增加的情况下，所提出的SCP-QCLP算法与现有SCP-GP方法在收敛速度和准确性方面有何差异？
• RQ5 当考虑非线性整流时，波形峰均功率比（PAPR）对能量采集效率的影响有多大？

主要发现

• SCP-QCLP算法在所有测试的发射功率水平（PT）和音调数（N）下均实现了最高的直流能量采集效率，优于SCP-GP和频域MRT方案。
• 频域MRT方案的性能与SCP-QCLP和SCP-GP非常接近，提供了一种低复杂度且具有闭式设计的替代方案。
• 随着发射功率的增加，SCP-QCLP与SCP-GP之间的性能差距进一步扩大，因为SCP-GP中使用的泰勒近似模型在高二极管电压下准确性下降。
• SCP-QCLP的收敛速度显著快于SCP-GP，因其每步迭代求解的QCLP问题更简单，仿真中收敛时间最多减少50%。
• 当N增大时，频域MRT方案优于SCP-GP，表明其频域波束成形方法在带宽扩展时具有更好的可扩展性。
• 频域MRT下的优化发射信号具有最高的PAPR，但其直流功率输出却低于SCP-QCLP和SCP-GP，证实仅靠峰值幅度无法决定效率。