[论文解读] Waveform Optimization for SWIPT with Nonlinear Energy Harvester Modeling

Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的MISO SWIPT收发器架构，通过叠加多音正弦波形进行能量传输，同时利用OFDM波形进行信息传输，针对实际的非线性能量收集器模型，对两种波形进行联合优化，以最大化速率-能量区域。该优化方法考虑了信道状态信息，并通过连续几何规划求解非凸的幂次多项式问题，相较于传统的线性模型，性能显著提升。

ABSTRACT

Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) has attracted significant attention in the communication community. The problem of waveform design for SWIPT has however never been addressed so far. In this paper, a novel SWIPT transceiver architecture is introduced 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 capable of cancelling the multisine waveforms. The SWIPT multisine/OFDM waveforms are optimized so as to maximize the rate-energy region of the whole system. They are 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.

研究动机与目标

• 为解决现有SWIPT波形设计中未考虑整流器非线性的缺陷，该缺陷对精确的能量采集建模至关重要。
• 设计一种收发器架构，通过叠加多音正弦与OFDM波形，同时支持信息与能量传输。
• 基于信道状态信息，自适应地优化功率与信息波形，以最大化速率-能量区域。
• 采用二阶与四阶泰勒展开项建模整流器的非线性行为，突破传统简化线性效率假设的局限。
• 构建一种实用的优化框架，通过迭代几何规划求解非凸幂次多项式问题，获得局部最优解。

提出的方法

• 提出一种MISO SWIPT系统，发射端在每个天线与子带上分别预编码，发送多音正弦波形（用于WPT）与OFDM波形（用于WIT）的叠加信号。
• 采用包含二阶与四阶项的非线性二极管模型对能量收集器进行建模，准确反映射频到直流转换效率对输入波形的依赖关系。
• 推导出一个非凸幂次多项式最大化问题，联合优化多音正弦与OFDM信号的幅度以及接收端的功率分配比例。
• 通过算术-几何平均不等式（AM-GM）实施连续几何规划（GP），迭代更新权重以收紧近似，最终收敛至局部最优解。
• 采用功率分配接收机结构，包含专用能量收集模块与可消除多音正弦干扰的信息解码器。
• 采用信道状态信息（CSI）感知设计，使波形参数根据信道条件自适应调整，以最大化系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 整流器非线性对SWIPT波形设计与性能有何影响？
• RQ2 与传统线性模型相比，联合优化多音正弦与OFDM波形是否能改善速率-能量权衡？
• RQ3 当能量收集器的非线性行为被精确建模时，可实现的速率-能量区域是多少？
• RQ4 迭代几何规划方法在求解所得非凸幂次多项式优化问题时的效率如何？
• RQ5 在考虑非线性能量采集的同时，通过波形自适应匹配CSI，能获得多大性能增益？

主要发现

• 所提出的SWIPT架构采用叠加多音正弦与OFDM波形，相比仅发送OFDM波形的系统，显著扩大了速率-能量区域。
• 数值结果表明，优化后的波形在速率-能量区域上优于水填方案与先前工作中仅用于WPT的波形。
• 该算法收敛至非凸幂次多项式问题的局部最优解，性能增益主要归因于对整流器非线性的精确建模。
• 采用四阶二极管模型能准确捕捉真实效率行为，揭示线性模型可能导致次优或低效的SWIPT设计。
• 当M=1且N=16时，优化系统实现的直流功率与信息速率均高于单独进行WIT或WPT设计的极端点。
• 基于迭代GP的优化过程有效收紧了AM-GM近似，实现稳定收敛，通常仅需数次迭代。