[论文解读] Wireless Information and Power Transfer: Architecture Design and Rate-Energy Tradeoff

Xun Zhou, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 18被引用 9

一句话总结

本文提出动态功率分配（DPS）作为同时无线信息与能量传输（SWIPT）的通用接收机架构，实现数据速率与采集能量之间的可调权衡。研究表明，在考虑电路功耗的实际接收机中，开关式功率分配（OPS）为最优策略；而在无电路功耗的理想情况下，静态功率分配（SPS）为最优策略，同时对分离式与集成式接收机设计分别刻画了速率-能量（R-E）区域。

ABSTRACT

Simultaneous information and power transfer over the wireless channels potentially offers great convenience to mobile users. Yet practical receiver designs impose technical constraints on its hardware realization, as practical circuits for harvesting energy from radio signals are not yet able to decode the carried information directly. To make theoretical progress, we propose a general receiver operation, namely, dynamic power splitting (DPS), which splits the received signal with adjustable power ratio for energy harvesting and information decoding, separately. Three special cases of DPS, namely, time switching (TS), static power splitting (SPS) and on-off power splitting (OPS) are investigated. The TS and SPS schemes can be treated as special cases of OPS. Moreover, we propose two types of practical receiver architectures, namely, separated versus integrated information and energy receivers. The integrated receiver integrates the front-end components of the separated receiver, thus achieving a smaller form factor. The rate-energy tradeoff for the two architectures are characterized by a so-called rate-energy (R-E) region. The optimal transmission strategy is derived to achieve different rate-energy tradeoffs. With receiver circuit power consumption taken into account, it is shown that the OPS scheme is optimal for both receivers. For the ideal case when the receiver circuit does not consume power, the SPS scheme is optimal for both receivers. In addition, we study the performance for the two types of receivers under a realistic system setup that employs practical modulation. Our results provide useful insights to the optimal practical receiver design for simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT).

研究动机与目标

• 为解决当前能量采集电路硬件限制下，设计能够同时从射频信号中解码信息并采集能量的接收机所面临的实际挑战。
• 开发一种通用接收机架构，通过动态调节功率分配比例，实现信息速率与能量采集之间的灵活权衡。
• 比较两种接收机架构——分离式与集成式，评估其在现实条件下的速率-能量（R-E）权衡性能。
• 推导最优传输策略，以在考虑接收机电路功耗的前提下，最大化可实现的速率-能量区域。
• 通过分析时间切换（TS）、静态功率分配（SPS）和开关式功率分配（OPS）作为动态功率分配（DPS）的特例，为实际SWIPT系统提供设计指导。

提出的方法

• 提出动态功率分配（DPS）作为通用接收机操作方式，通过可调功率比将接收到的射频信号分离为信息流与能量流。
• 基于带加性噪声与信道衰落的信号模型，推导出所有不同功率分配比例下可实现的速率-能量（R-E）对的并集，作为R-E区域。
• 提出两种接收机架构：分离式（专用信息与能量接收机）与集成式（共享前端组件），后者具有更小的外形尺寸。
• 分析DPS的三种特例：时间切换（TS）、静态功率分配（SPS）与开关式功率分配（OPS），并证明TS与SPS均为OPS的特例。
• 利用Jensen不等式证明，在理想条件下（无电路功耗），SPS实现的R-E区域大于DPS；而当考虑电路功耗时，OPS实现的R-E区域最大。
• 通过求解约束优化问题，推导出最优传输策略，以在满足最小能量需求的前提下最大化数据速率，涵盖两种接收机类型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑实际接收机电路功耗的SWIPT系统中，如何实现速率-能量权衡的最大化？
• RQ2 在SWIPT系统中，分离式与集成式接收机架构在性能与可实现的速率-能量区域方面有何差异？
• RQ3 与动态功率分配（DPS）或开关式功率分配（OPS）相比，静态功率分配（SPS）在何种条件下为最优？
• RQ4 接收机电路功耗的引入如何影响SWIPT系统的最优设计与性能？
• RQ5 信息速率与采集能量之间的基本权衡是什么？在实际硬件约束下，如何实现该权衡的最大化？

主要发现

• 当考虑接收机电路功耗时，开关式功率分配（OPS）是分离式与集成式接收机的最优功率分配策略，因其能最大化可实现的速率-能量区域。
• 在无电路功耗的理想情况下，静态功率分配（SPS）实现最大的速率-能量区域，因此对两种接收机架构均为最优。
• 由于电路功耗更低，集成式接收机架构在相同能量需求下可实现比分离式架构更高的数据速率。
• 两种架构的速率-能量（R-E）区域被表征为在不同功率分配比例下所有可实现速率-能量对的并集，且在特定条件下该区域为凹集。
• 对于给定的能量需求，推导出最优的时间切换比例，表明分离式接收机为达到相同能量目标所需切换时间高于集成式接收机。
• 在实际调制条件下的性能分析表明，所推导的最优策略依然有效，为现实世界SWIPT系统的设计提供了重要洞见。