PaperlayerView exact revision on arXiv

Source-linked AI summary

Fundamentals of Wireless Information and Power Transfer: From RF Energy Harvester Models to Signal and System Designs

Bruno Clerckx, Rui Zhang, Robert Schober, Derrick Wing Kwan Ng, Dong In Kim, H. Vincent Poor

arXiv:1803.07123v1cs.ITeess.SP

TL;DR

무선 정보 및 전력 전송에는 에너지 하베스터의 동작을 고려한 신호 및 시스템 설계가 필요하지만, 통신과 전력을 통합하면 해결되지 않은 광범위한 과제가 발생한다. 이 튜토리얼은 선형 및 비선형 하베스터 모델을 비교하고, 기저 모델이 WIPT rate-energy region과 설계를 결정함을 보인다. 핵심 결론은 WIPT 성능이 적절한 에너지 하베스터 모델을 활용하는 데 결정적으로 좌우된다는 것이다.

  • 문제

    무선 통신과 전력을 통합하면 정보와 에너지를 함께 전달하는 네트워크 설계에서 해결되지 않은 학제 간 과제가 발생한다.

  • 방법

    이 논문은 선형 및 비선형 에너지 하베스터 모델을 특성화하고, WIPT 아키텍처, 파형, 변조, 빔포밍, 분포 및 자원 할당에 미치는 영향을 검토한다.

  • 결과

    WIPT rate-energy region과 신호 설계는 하베스터 모델에 따라 달라지며, 다이오드 비선형성을 적절히 활용하면 선형 모델 기반 설계보다 달성 가능한 영역을 확장할 수 있다.

  • 시사점 및 한계

    하베스터 비선형성은 활용될 경우 rate-energy tradeoff를 형성하고 성능을 향상할 수 있으므로, WIPT 설계는 기저 에너지 하베스터 모델과 연계되어야 한다.

  • 시사점 및 한계

    동적 입력 전력과 신호 변동으로 인해 임피던스 정합을 보장하지 못할 수 있으므로, 정확한 하베스터 모델링은 여전히 범위가 제한되어 있다.

Abstract

from arXiv · show

Radio waves carry both energy and information simultaneously. Nevertheless, Radio-Frequency (RF) transmission of these quantities have traditionally been treated separately. Currently, we are experiencing a paradigm shift in wireless network design, namely unifying wireless transmission of information and power so as to make the best use of the RF spectrum and radiations as well as the network infrastructure for the dual purpose of communicating and energizing. In this paper, we review and discuss recent progress on laying the foundations of the envisioned dual purpose networks by establishing a signal theory and design for Wireless Information and Power Transmission (WIPT) and identifying the fundamental tradeoff between conveying information and power wirelessly. We start with an overview of WIPT challenges and technologies, namely Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT),Wirelessly Powered Communication Network (WPCN), and Wirelessly Powered Backscatter Communication (WPBC). We then characterize energy harvesters and show how WIPT signal and system designs crucially revolve around the underlying energy harvester model. To that end, we highlight three different energy harvester models, namely one linear model and two nonlinear models, and show how WIPT designs differ for each of them in single-user and multi-user deployments. Topics discussed include rate-energy region characterization, transmitter and receiver architecture, waveform design, modulation, beamforming and input distribution optimizations, resource allocation, and RF spectrum use. We discuss and check the validity of the different energy harvester models and the resulting signal theory and design based on circuit simulations, prototyping and experimentation. We also point out numerous directions that are promising for future research.

I. 서론 … C. Energy Harvester 모델링의 결정적 역할

WIPT는 무선 정보 및 전력 전송을 통합하며, 이는 RF 매체의 공유와 통신 및 에너지 전달 간 균형의 필요성에 기반한다. 이 논문은 WIPT 아키텍처를 검토하고, energy harvester를 선형 또는 비선형으로 모델링하는지에 따라 signal 및 system design이 근본적으로 달라짐을 보인다.

  • I. 서론: WIPT는 동일한 RF spectrum과 infrastructure를 통해 통신과 전력 전달을 결합하여, 통신만 수행하는 경우와 전력만 전달하는 경우라는 양 극단을 연결한다.이 통합은 communication, information, circuit, RF, signal-processing, protocol, optimization, prototyping 및 experimental 분야를 아우르는 과제를 만든다.
  • A. WIPT 과제 및 기술 개요: WIPT system은 실제적인 5–100 m 거리에서 전력을 전달하면서 range, efficiency, 그리고 line-of-sight 또는 non-line-of-sight 동작을 다뤄야 한다.보다 광범위한 engineering 요구사항에는 이 논문에서 논의하는 여러 추가 network 및 implementation 과제가 포함된다.
  • A. WIPT 과제 및 기술 개요: 이 논문은 downlink/uplink 역할, receiver 구성, 그리고 backscatter modulation이 uplink transmission을 제공하는지 여부에 따라 SWIPT, WPCN 및 WPBC를 구분한다.WPBC tag는 carrier-generating oscillator를 사용하지 않으므로 conventional radio보다 몇 자릿수나 적은 전력을 소비할 수 있다.
  • B. 목적 및 구성: 이 논문은 fundamental rate-energy tradeoff를 체계적으로 규명하고, 정보와 에너지를 무선으로 함께 전달하기 위한 signal 및 system design을 개발한다.범위에는 transmitter 및 receiver architecture, waveform 및 modulation design, beamforming, input distribution, resource allocation 및 RF spectrum use가 포함된다.
  • B. 목적 및 구성: WIPT design은 energy harvester model을 중심으로 전개된다. 이 논문은 하나의 linear model과 두 개의 nonlinear model을 비교하고, model을 바꾸면 결과 design이 크게 달라짐을 보인다.이 논문은 이러한 modeling dependence를 강조한다. 이전 WIPT review가 대부분 검토되지 않은 linear harvester 가정에 기반했기 때문이다.
  • C. Energy Harvester 모델링의 결정적 역할: 이전 WIPT 분석은 RF-to-DC conversion을 일정하다고 보고, 분리 가능한 DC-to-RF, RF-to-RF 및 RF-to-DC stage를 최적화함으로써 RF design과 signal design을 분리했다.이러한 가정에는 unit DC-to-RF efficiency와 input RF power와 output DC power 사이의 linear relation이 포함되었다.
  • C. Energy Harvester 모델링의 결정적 역할: 회로 시뮬레이션과 측정 결과, RF-to-DC 효율은 입력 신호의 전력과 파형에 비선형적으로 의존하므로 각 전송 단계를 개별적으로 최대화한다고 해서 종단 간 효율이 반드시 최대화되지는 않는다.이는 파형에 따른 에너지 변환을 직접 반영하는 비선형 energy harvester 모델과 신호 설계를 필요로 한다.

II. Rectenna의 해석 모델 · A. Rectenna 동작 · B. Antenna 모델

Rectenna는 포획한 RF energy를 DC power로 변환하지만, 회로 비선형성과 실제 손실 때문에 모델링이 복잡해져 효율은 rectifier 설계, 수신 power, waveform 형상에 크게 좌우된다. Antenna 모델은 harvestable antenna noise를 무시하고, 가용 RF power를 rectifier로 전달하는 무손실·완전 정합 인터페이스를 가정한다.

  • II. Rectenna의 해석 모델: Rectenna는 antenna, rectifier, low-pass filter, power-management unit을 결합해 RF energy를 사용 가능한 또는 저장된 DC power로 변환한다.회수된 power는 저전력 device에 직접 공급하거나, battery 또는 supercapacitor를 충전하거나, DC-to-DC converter를 거칠 수 있다.
  • A. Rectenna 동작: Rectifier 효율은 거리와 input power가 증가할수록 감소하며, 제시된 915MHz 조건에서 1m에서 50%, 10m에서 25%, 30m에서 약 5%에 도달한다.보고된 효율도 10 mW에서 80%이던 값이 1 µW에서 2%로 감소하는데, 낮은 input power에서는 diode를 turn on하기 어려워지기 때문이다,.
  • A. Rectenna 동작: 시뮬레이션한 single-series rectifier의 효율은 1µW에서 약 2%, 10µW에서 15%, 100µW에서 35%이며, 이후 DC output이 saturation되면서 1mW를 넘으면 급격히 감소한다.Diode는 2V에서 reverse biased가 되며, saturation을 피하기 위해 1mW 이상에서는 multiple-diode rectifier가 선호된다,,.
  • A. Rectenna 동작: RF-to-DC 효율은 average power뿐 아니라 signal shape에도 의존한다. high-PAPR multisine waveform은 더 큰 peak를 생성해 charge-pump 효율과 RFID-reader range를 향상시킬 수 있다,.따라서 rectifier를 constant-efficiency device로 취급하기보다 waveform 설계를 energy-harvesting 성능과 관련된 요소로 보아야 한다.
  • A. Rectenna 동작: Resistor, capacitor, diode가 비선형성을 유발하고, threshold 및 reverse-breakdown voltage, parasitic, impedance mismatch, harmonic이 구현 손실을 일으키기 때문에 rectenna 모델링은 어렵다,,,.상세한 multistage circuit model은 signal 및 resource-allocation 최적화에 analytically intractable해질 수 있다.
  • A. Rectenna 동작: 따라서 이 해석 framework는 diode physics에 기반한 diode linear and nonlinear model을 도입하면서도, 정확한 circuit input-output description은 tractable optimization에 지나치게 복잡할 수 있음을 인정한다.Model 선택에 따라 이후 signal 및 resource-allocation 설계에서 rectenna 동작을 표현하는 방식이 결정된다.
  • B. Antenna 모델: Antenna는 series resistance R_ant를 갖는 voltage source v_s(t)로 모델링된다. perfect matching에서는 가용 RF power가 rectifier로 전달되어 흡수되며, antenna noise는 무시된다.단순화한 처리는 R_in = R_ant 및 X_in = 0을 가정하며, 더 일반적인 resistance model은 에서 언급된다.

C. 다이오드 선형 및 비선형 모델

이 절에서는 다이오드 특성을 Taylor 전개하여 선형 및 비선형 다이오드 기반 정류기 모델을 전개하고, 고차항을 무시할 수 있는지에 따라 WIPT 신호 최적화가 달라짐을 보인다. 선형 모델은 square-law regime에 적합한 반면, 비선형 모델은 transition regime에서 파형, 전력, 변조에 따른 RF-to-DC 효율을 포착한다.

  • 모델 정식화: 다이오드의 quiescent operating point를 중심으로 Taylor 전개하면 다루기 쉬운 정류기 모델을 얻을 수 있으며, 평균화된 다이오드 전류는 DC 출력과 변조된 RF 입력의 무작위성을 모두 포착한다.이 모델은 단일 series diode, low-pass filter, load에서 시작하지만 더 일반적인 multi-diode rectifier에도 적용된다.
  • 선형 모델: 다이오드 선형 모델은 두 번째 차수에서 절단되므로, 변환 효율이 일정하고 신호와 무관하기 때문에 최적 송신 설계는 평균 RF 입력 전력을 최대화하는 것과 동등하다.이 모델은 에서 처음 도입되었으며, 초기 WIPT 연구 에서 채택되었고 고차항은 무시할 수 있다고 가정했다.
  • 동작 regime: 선형 모델은 continuous wave에서 -20dBm 미만의 square-law regime에 적용되지만, multisine 입력에서는 그 유효 범위가 -30dBm 미만으로 이동하며 이 영역에서는 고차항이 여전히 무시할 수 있다,,.이처럼 매우 낮은 전력 수준은 최신 정류기의 동작 범위보다도 낮다.
  • 비선형 모델: 비선형 모델은 네 번째 또는 그보다 높은 차수의 항을 유지하므로, 수확된 DC 전력을 최대화하는 것은 더 이상 평균 RF 입력 전력을 최대화하는 것과 동등하지 않으며 효율은 파형 형태, 전력 및 변조 방식에 의존한다,.이 모델은 WPT, –, SWIPT, –, WPBC, 에서 사용되는 메모리리스 다항식 형태다.
  • 모델의 한계: Taylor-series 모델은 다이오드의 비선형 동작 영역에서만 유효하며, 입력 진폭이 클 때는 series resistance가 지배적이 되어 다이오드는 region R3에서 선형적으로 동작한다.비선형 모델의 transition region은 continuous wave에서 대략 −20 to 0 dBm이고, multisine 입력에서는 [−30, −10]dBm으로 이동할 수 있다.

D. 포화 비선형 모델

포화 비선형 모델은 다이오드 breakdown으로 인한 rectifier 출력 전력 포화를 포착하며, 수신 RF 전력의 측정값에 맞춘 다루기 쉬운 sigmoid로 harvested power를 나타낸다. 이 모델은 high-power regime에서 실제 회로와 일치하지만, conventional linear model과 마찬가지로 low-power에서 불일치를 보인다.

  • D. 포화 비선형 모델: 이 모델은 과도한 입력 RF power가 rectifier를 다이오드 breakdown으로 몰아가는 threshold 이후의 output DC-power saturation을 설명한다.Breakdown은 reverse bias가 전압 VBR을 초과할 때 발생하며 갑작스러운 반대 방향 전류를 유발한다. 따라서 rectifier는 이 동작 영역을 피해야 한다.
  • D. 포화 비선형 모델: [47]에서 제안된 다루기 쉬운 parametric model은 평균 수신 RF power만 사용해 predefined waveform에 대한 실제 energy-harvesting 측정값을 fitting한다.이 정식화는 SWIPT resource allocation을 회로별 구현 및 waveform-distribution 세부사항과 분리한다.
  • D. 포화 비선형 모델: Harvested-power response는 PSat을 saturation ceiling로 하는 sigmoid로 모델링되며, a는 charging steepness를 조절하고 b는 minimum turn-on voltage를 설정한다.Parameters a, b, PSat은 주어진 hardware circuit과 adopted waveform에서 얻은 측정값을 curve fitting하여 구할 수 있다.
  • D. 포화 비선형 모델: High-power regime인 Prf ≥ −10 dBm = 10−1 mW에서 이 모델은 두 practical circuit의 측정값과 밀접하게 일치하며, conventional linear model은 그렇지 않다.Fig. 8은 과 의 continuous-wave measurement data와 제안 모델을 비교한다.
  • D. 포화 비선형 모델: Low received RF power에서 conventional linear model과 saturation nonlinear model 모두 practical energy-harvesting behavior와 불일치를 보인다.그럼에도 saturation model은 –을 포함한 resource-allocation algorithm 설계에 널리 채택되어 왔다.

E. Rectenna 모델 비교 … A. 신호 및 시스템 모델

이 논문은 rectenna 모델을 비교하여 실제 저전력 영역에서는 diode nonlinear 모델이 더 정확함을 보이고, WIPT 설계를 위한 보다 광범위한 모델링 과제를 식별한다. 이어서 multipath, multicarrier 채널에서 single-user MIMO SWIPT를 정식화하고, 수신된 RF 신호를 information 및 energy processing으로 분배하는 receiver architecture를 제시한다.

  • E. Rectenna 모델 비교: Circuit simulation 결과, diode nonlinear rectenna 모델이 diode linear 모델보다 실제 저전력 영역의 동작을 더 정확하게 특성화하는 것으로 나타난다.diode linear 및 nonlinear 모델에 대한 추가 비교는,, 에 보고되어 있다.
  • F. 확장 및 향후 연구: 정확하면서도 다루기 쉬운 energy-harvester 모델은 여전히 핵심 과제다. software 모델은 signal design에 사용하기에는 너무 느리고, 단순한 모델은 지나치게 단순화될 수 있기 때문이다.software 기반 모델은 analytical 모델을 검증하는 데 여전히 유용하다.
  • F. 확장 및 향후 연구: 향후 연구에는 diode–saturation 결합 모델, 개선된 저전력 모델링, non-continuous-waveform 설계, impedance mismatch 및 rectifier output harmonics의 고려가 포함된다.[68], –에서 대안적 모델이 제시되었지만, 기존 모델이 가정한 continuous-wave 입력을 넘어서는 추가 연구가 필요하다.
  • F. 확장 및 향후 연구: transmitter power-amplifier와 receiver energy-harvester의 nonlinearity를 jointly modeling하면 low-PAPR transmit signal과 harvester 입력에서 선호되는 high-PAPR signal 사이의 tradeoff가 발생한다.[46]의 설계는 average-power 및 transmit-PAPR 제약하에서 harvested DC power를 최대화한다.
  • III. SINGLE-USER WIPT: single-user WIPT 분석은 세 가지 energy-harvester 모델에 걸쳐 rate–energy region과 signal design을 특성화하고, receiver architecture 및 그 최적화 문제를 함께 다룬다.이 절에서는 signal model, receiver architecture, rate–energy-region maximization을 다룬다.
  • A. 신호 및 시스템 모델: 시스템은 Mt개의 transmit antenna와 Mr개의 receive antenna를 갖는 single-user point-to-point MIMO SWIPT link이며, N개의 orthogonal subband와 multicarrier waveform에서의 independent information symbol을 사용한다.transmitted signal은 general L-path multipath channel을 통해 전파되며, 각 subband 내에서는 narrowband signaling을 가정한다.
  • A. 신호 및 시스템 모델: 각 received RF signal은 direct harvesting를 위한 energy receiver와 downconversion 및 filtering을 위한 information receiver로 전부 또는 일부 라우팅된다.고려하는 receiver architecture에는 ideal, time-switching, power-splitting 설계가 포함되며, Fig. 9에 도시되어 있다.
  • A. 신호 및 시스템 모델: baseband model은 additive white Gaussian noise, subband별 positive-semidefinite input covariance matrix, total average transmit-power constraint, perfect CSIT and CSIR을 사용한다.subband transmit power는 Pn = Tr(Qn)이다.

B. 수신기 구조 · C. Rate-Energy 영역 및 문제 정식화

이 논문은 수신기 구조와 선형 또는 비선형 energy-harvester 모델에 따른 rate-energy tradeoff와 signaling 전략을 특성화한다. 달성 가능한 rate와 harvested-energy 제약으로 rate-energy 영역을 정의하고, 실용적인 power-splitting receiver를 위한 worst-case processing-noise 설정을 강조한다.

  • B. 수신기 구조: 이상적 수신기는 동일한 신호에서 정보를 복호하고 에너지를 수확하며, transmit-signal 설계가 그 결과인 R-E tradeoff를 제어한다,.이 구조는 아직 실용적인 회로로 구현할 수 없다.
  • B. 수신기 구조: Time-switching receiver는 직교 slot에서 energy harvesting과 information decoding을 번갈아 수행하며, slot 길이와 transmit signal이 R-E tradeoff를 결정한다,,.동일 위치에 배치된 ID 및 EH component는 두 transmission phase에 걸쳐 주기적으로 동작한다.
  • B. 수신기 구조: Power-splitting receiver는 ratio ρ와 공동 최적화된 transmit signal을 사용해 수신 신호를 EH와 ID 사이에 분배하고, 이를 통해 R-E tradeoff를 제어한다,,.EH와 ID component는 time-switching receiver의 component와 동일하다.
  • C. Rate-Energy 영역 및 문제 정식화: 이 논문은 선형 및 비선형 EH 모델에서 ideal, time-switching, power-splitting receiver의 R-E tradeoff와 signaling 전략을 특성화한다.R-E 영역은 동시에 달성 가능한 communication rate와 harvested energy의 집합이다.
  • C. Rate-Energy 영역 및 문제 정식화: R-E 영역은 average transmit constraint와 simultaneous rate 및 harvested-energy requirement를 만족하는 input distribution으로 구성된다.Capacity는 covariance, power 및 minimum-energy constraint하에서 input distribution에 대한 mutual information을 최적화해 얻는다.
  • C. Rate-Energy 영역 및 문제 정식화: Diode model에서는 전달된 DC power가 output current 및 zdc와 직접 관련되므로 harvested-energy constraint를 zdc를 사용해 편리하게 표현할 수 있다.목표 harvested energy는 zdc(x0, ..., xN−1) ≥ Ē라는 constraint로 나타낸다.
  • C. Rate-Energy 영역 및 문제 정식화: Worst-case processing-noise 설정은 실용적인 PS receiver의 performance lower bound로 기능하는 R-E 영역을 산출한다.반대쪽 noise 극한에서는 PS가 ideal receiver와 동일한 boxlike R-E 영역을 달성할 수 있다.

D. Diode Linear Model에서의 Rate-Energy Tradeoff · 1) Single-Subband Transmission:

Diode linear model을 rate-energy tradeoff 관점에서 분석하며, SISO single-subband transmission에서 시작해 더 광범위한 transmission 설정으로 확장한다. Single-subband에서는 transmit signal이 rate-energy tradeoff를 만들 필요가 없으며, tradeoff는 receiver architecture가 결정한다.

  • D. Rate-Energy Tradeoff with The Diode Linear Model: Diode linear model 분석은 SISO single-subband transmission에서 시작한 뒤 multi-subband 및 multi-antenna 설정으로 확장된다.
  • 1) Single-Subband Transmission:: 이상적인 SISO receiver에서는 CSCG signaling x ∼ CN(0, P)이 최적이며, rate-energy region은 rate-energy tradeoff가 없는 직사각형이다.
  • 1) Single-Subband Transmission:: Time switching에서는 CSCG signaling이 여전히 최적이며, energy-harvesting time fraction τ로 parameterize되는 삼각형 rate-energy region을 만든다.
  • 1) Single-Subband Transmission:: Power splitting에서는 CSCG signaling이 여전히 최적이며, power-splitting ratio ρ로 parameterize되는 오목한 rate-energy region을 만든다.
  • 1) Single-Subband Transmission:: 따라서 single-subband transmission에서 diode linear model의 rate-energy tradeoff는 transmit signal이 아니라 receiver architecture에 의해 유도된다.
  • 1) Single-Subband Transmission:: 고려한 rate-energy region에서는 ideal receiver가 power splitting보다 우수하고, power splitting이 time switching보다 우수하다.

2) 다중 서브밴드 전송: · 3) 다중 안테나 전송:

다이오드 선형 모델에서 다중 서브밴드 전송은 송신기 전력 할당을 통해 추가적인 rate-energy tradeoff를 만들고, 다중 안테나 전송은 covariance 선택과 modified water-filling을 통해 이 tradeoff를 구현한다. Uniform power splitting은 time switching보다 열등하지 않으며, MISO에서는 maximum-ratio transmission이 rate와 energy를 동시에 최대화해 tradeoff를 제거한다.

  • 2) 다중 서브밴드 전송:: 다중 서브밴드 rate-energy 최적화는 가장 강한 서브밴드에 에너지를 집중하려는 경향과 여러 서브밴드에 rate를 높이기 위해 water-filling하려는 경향 사이의 균형을 맞춘다.그 결과는 total harvested-energy constraint를 반영한 modified water-filling 할당이다.
  • 2) 다중 서브밴드 전송:: 에너지 제약이 inactive이면 할당은 conventional water-filling으로 환원되고, 제약이 tight하면 더 강한 서브밴드가 더 높은 water level과 더 공격적으로 집중된 전력을 받는다.이에 따라 harvesting requirement가 binding일 때 할당은 강한 채널을 더욱 greedy하게 선호한다.
  • 2) 다중 서브밴드 전송:: 따라서 다중 서브밴드 시스템은 receiver architecture tradeoff에 더해 송신기 전력 할당 tradeoff도 겪으며, uniform power splitting은 time switching보다 작지 않은 R-E region을 달성한다.Time switching은 conventional water-filling과 가장 강한 서브밴드 전송을 번갈아 수행하는 반면, power splitting은 공통 splitting ratio와 서브밴드 할당을 jointly 최적화한다.
  • 3) 다중 안테나 전송:: 다중 안테나 rate-energy region은 total harvested-energy constraint하에서 input covariance 선택으로 형성되며, power splitting은 precoder와 receive-antenna splitting ratio를 jointly 최적화한다.반면 time switching은 rate를 위한 eigenmode 전송과 가장 강한 채널 eigenvector에 정렬된 단일 energy beam을 번갈아 사용한다.
  • 3) 다중 안테나 전송:: 다중 안테나 전송에서 energy maximization은 dominant channel eigenvector를 따라 beamforming하는 반면, rate maximization은 conventional water-filling을 사용해 여러 eigenmode를 활용한다.Rate-energy 최적해는 multiple-eigenmode 전송을 유지하지만 conventional water-filling을 modified water-filling으로 대체하며, diagonal-channel SISO 다중 서브밴드 경우는 특수한 경우다.
  • 3) 다중 안테나 전송:: MISO 전송에서는 maximum-ratio transmission이 rate와 energy를 모두 최대화하므로, rate-energy region은 beamforming gain으로 확장된 rectangle이다.최적 covariance는 normalized channel에 정렬되며, 동일한 channel-norm replacement가 time-switching 및 power-splitting region에도 적용된다.
  • 3) 다중 안테나 전송:: 다이오드 선형 모델에서는 CSCG inputs가 rate-energy boundary를 달성하는 반면, continuous waves를 포함한 any average-power input은 energy maximization만을 위해서는 동등하게 적합하다.따라서 time switching은 information transmission에 CSCG signals를, power transmission에 continuous waves를 사용할 수 있다.

E. Diode 비선형 모델을 이용한 Rate-Energy Tradeoff · 1) 단일 Subband 전송:

Diode 비선형성을 적절한 신호 및 입력 분포 설계를 통해 활용하면 wireless information-and-power transfer 성능을 향상할 수 있다,. 단일 Subband SISO 전송에서는 rate-energy tradeoff가 발생하고, 달성 가능 영역이 확장되며, 고차 입력 통계량과 receiver architecture가 핵심 설계 고려사항이 된다.

  • E. Diode 비선형 모델을 이용한 Rate-Energy Tradeoff: Diode 비선형성을 고려한 신호는 beamforming 및 channel frequency diversity 이득과 비선형성을 함께 활용함으로써 linear-model 설계보다 우수한 성능을 보인다,.
  • E. Diode 비선형 모델을 이용한 Rate-Energy Tradeoff: 변조된 신호는 결정론적 continuous-wave 입력보다 energy transfer를 향상할 수 있으며, diode nonlinear model에서는 modulation과 입력의 randomness가 중요함을 보여준다.
  • 1) 단일 Subband 전송:: 고차 모멘트에 의해, 고려한 Gaussian family 내에서는 기존의 circularly symmetric Gaussian 입력이 아니라 zero-mean asymmetric Gaussian 입력이 최적이 된다 [64].비선형 energy metric은 실수 및 허수 입력 성분을 포함하여 4차까지의 모멘트를 통해 결정된다.
  • 1) Single-Subband Transmission:: SISO single-subband 전송에서 nonlinear model은 수확 에너지가 수신 신호의 fourth-order moment에 의존하므로 rate-energy tradeoff를 만든다.그 결과 nonlinear-model 영역은 linear-model에 기반한 입력 분포로 얻은 영역보다 크다.
  • 1) 단일 Subband 전송:: 평균 transmit-power 및 delivered-power 제약하에서 AWGN capacity는 Gaussian 입력의 delivered energy까지 변하지 않으며, 더 높은 요구사항은 time sharing을 통해 접근할 수 있다 [67].Time-sharing 분포는 information이 풍부한 Gaussian 입력과 power가 풍부한 저확률 고진폭 flash signaling을 결합한다.
  • 1) Single-Subband Transmission:: nonlinear model은 higher-order moment를 높이는 non-Gaussian distribution을 선호하며, flash signaling은 real Gaussian 및 circularly symmetric Gaussian input의 fourth-order moment를 초과할 수 있다.
  • 1) 단일 Subband 전송:: Time sharing에 의해 time-switching, power-splitting 및 ideal receiver는 동일한 최적 rate-energy region을 달성하지만, 고정된 분포에서는 ideal receiver와 power-splitting receiver의 성능이 다를 수 있다.실용적 최적해에는 고진폭 flash signal이 필요할 수 있으며, 진폭이 diode의 resistive zone에 진입하면 Taylor expansion model은 성립하지 않는다.

2) 다중 서브밴드 전송:

다중 서브밴드 WIPT에서는 CSCG-only signaling과 달리, non-zero-mean 입력과 deterministic multisine power waveform이 diode nonlinearity를 활용해 rate-energy region을 확장한다. 또한 이에 대응하는 receiver architecture와 finite-constellation modulation 설계를 제시하며, capacity-achieving input distribution은 여전히 미해결 문제로 남아 있음을 지적한다.

  • 다중 서브밴드 전송: Unmodulated multisine waveform은 modulated multi-carrier CSCG waveform보다 diode nonlinearity를 더 효율적으로 활용하며, zdc는 sinewave의 수 N에 선형적으로 비례해 증가한다,.이 메커니즘은 deterministic power symbol이 zero-mean input보다 wireless power delivery를 향상시키는 이유를 설명한다.
  • 다중 서브밴드 전송: 결과적으로 도출되는 SWIPT architecture는 deterministic power symbol과 CSCG information symbol을 중첩하며, 명시적인 power-waveform cancellation의 유무와 관계없이 동일한 rate를 달성한다.Cancellation이 없으면 receiver는 translated baseband symbol을 decode하고, cancellation이 있으면 down-conversion과 ADC 이후 알려진 power waveform을 차감한다.
  • 다중 서브밴드 전송: Non-zero-mean Gaussian R-E boundary는 낮은 rate에서 convex이고 높은 rate에서 concave이므로, diode nonlinear model에서는 time switching이 power splitting보다 높은 성능을 낼 수 있다.Minimum-energy/maximum-rate 극단에서는 deterministic power allocation이 0이고 information power는 표준 water-filling을 따르며, 그 밖의 allocation은 reversed geometric program을 통해 구한다.
  • 다중 서브밴드 전송: Non-zero-mean Gaussian input은 modulated information waveform에 deterministic multisine power waveform을 중첩함으로써 CSCG input보다 R-E region을 크게 확장한다,.Fig. 13은 N = 16, 고정된 수신 전력 -20 dBm, 서브밴드당 20 dB SNR을 갖는 PS receiver에서 이러한 확장을 보여준다.
  • 다중 서브밴드 전송: 최적화된 probability mass를 사용하는 Asymmetric PSK constellation은 기존 symmetric PSK보다 더 큰 R-E region을 제공하며, nonlinear SWIPT 설계를 Gaussian input을 넘어 확장한다.Constellation point는 동일한 magnitude를 가지며, probability optimization 이전에는 [−δ, δ] 구간에 균일하게 분포하고 δ ≤π이다.

3) 다중 안테나 전송: … 2) 다중 서브밴드 전송:

이 절에서는 비선형 energy-harvester 모델이 WIPT 설계를 크게 바꾼다는 점을 보인다. MISO에서는 MRT가 여전히 최적이지만, 다중 대역 MIMO에서는 공간-주파수 공동 최적화가 필요하다. 포화 비선형성에서는 자원 할당을 볼록 문제로 재정식화할 수 있지만, 용량 모델링은 가정한 파형에 따라 달라진다.

  • 3) 다중 안테나 전송:: 일반적인 다중 대역 MISO 전송에서는 각 서브밴드의 MRT가 최적이며, 심볼은 채널 방향과 SISO에서 최적인 diode-비선형 입력 분포를 결합한다.
  • 3) 다중 안테나 전송:: 다중 대역 MIMO는 수확 에너지의 최대화가 공간 빔포밍과 주파수 할당을 결합하므로 여전히 미해결 문제이며, 순차적인 영역 분리는 최적이 아니다.
  • 3) 다중 안테나 전송:: diode 비선형 모델에서는 RF 수신 전력의 최대화가 DC 전력을 최대화하지 않으며, CSCG 입력은 최적 rate-energy 경계를 달성할 수 없고, diode 비선형성은 전체 성능을 향상시킨다.
  • 3) 다중 안테나 전송:: diode 비선형 모델은 WIPT 입력 분포를 변화시키며, 따라서 변조, 파형, 스펙트럼 사용, 자원 할당 및 수신기 아키텍처도 변화시킨다. 이는 MRT를 통한 동일한 point-to-point MISO 빔포밍에도 불구하고 나타난다.
  • F. The Saturation Nonlinear Model을 사용한 Rate-Energy Tradeoff: saturation 비선형 모델에서는 CSCG 정보 신호와 이상적 수신기를 사용해 rate-energy tradeoff를 연구하며, CSCG 입력에 맞춰 피팅된 parameters a, b, and P_Sat가 필요하다.
  • 1) 단일 서브밴드 전송: : CSCG 입력을 사용하는 단일 서브밴드 saturation-model SWIPT에서는 가용한 모든 송신 전력을 carrier에 할당할 때 rate와 수확 전력이 최대화되어 직사각형 rate-energy 영역을 얻는다.
  • 2) 다중 서브밴드 전송:: saturation 모델의 사전 정의된 파형 parameters는 명시적인 용량 정의를 방해할 수 있다. 선형 모델과 유사하게 PS가 TS보다 우수할 수 있지만, 이는 여전히 검증되지 않았다.
  • 2) 다중 서브밴드 전송:: 다중 서브밴드 saturation-model 할당은 convex constraints를 통해 효율적으로 풀 수 있으며, 보조 변수는 최대 수신 전력을 나타내고 water level은 saturation을 고려한 dual variables에 의해 제어된다.

3) 다중 안테나 전송: … A. 선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff

이 논문은 다중 안테나 및 다중 사용자 WIPT 설계가 Energy Harvester 모델에 근본적으로 의존하며, 비선형 포화가 성능과 신호 설계에 제약을 가한다는 것을 보인다. Diode 선형 모델의 다중 사용자 SWIPT에서는 공동 최적화된 Beamforming이 Rate-Energy Tradeoff를 규정하고, Time Switching보다 Power Splitting이 갖는 이점을 확립한다.

  • 3) 다중 안테나 전송:: 포화 비선형 모델에서는 보조 Allocation Variable을 도입한 뒤에도 Generalized Multiple-Eigenmode Transmission이 최적이며, 그 Rate-Energy Tradeoff는 Diode 선형 모델과 유사하다.그럼에도 포화 비선형성은 최적화 문제를 추가 제약이 있는 Diode-Linear 문제로 바꾸므로 해롭다.
  • 3) 다중 안테나 전송:: 포화 비선형성은 RF-to-DC 전력을 최대화하는 전략을 보존하지만 CSCG Inputs가 일반적으로 최적 Rate-Energy Boundary를 달성하는 것을 방해하며, Power Splitting이 Time Switching보다 우수하다.이러한 결론은 해당 Diode-Linear 및 Diode-Nonlinear 관찰 결과와 평행한다.
  • G. 확장 및 향후 연구: 향후 WIPT 연구에서는 불완전한 CSIT를 다루어야 한다. 제한된 단말 에너지는 채널 획득을 어렵게 하며, 제한된 Feedback을 사용하는 비선형 모델 Waveform 설계가 Perfect CSIT에 의존하는 선형 모델 설계를 능가할 수 있기 때문이다.인용된 연구는 제한된 Feedback을 사용하는 Diode Nonlinear Waveform 설계에서 이러한 이점을 보고한다.
  • G. 확장 및 향후 연구: 열린 연구 방향에는 Practical Modulation, Coding, Input Distributions, Secure SWIPT, 그리고 비선형 Energy Harvester에 맞춘 WPCN/WPBC 설계가 포함되며, 여기에는 WPBC Reader SNR과 Tag Harvested Energy를 향상하는 Multisine Waveform도 포함된다.Single-Subband, Single-Antenna 설정을 넘어서는 최적 비선형 Input Distributions는 대부분 미해결 상태이며, 인용된 논의에서는 Diode Nonlinear Model을 위한 Secure SWIPT 연구도 존재하지 않는다.
  • IV. 다중 사용자 WIPT: 다중 사용자 SWIPT downlink는 M_t-antenna 송신기가 K명의 정보 수신기와 J명의 에너지 수신기에 서비스를 제공하며, 무선 브로드캐스트를 활용해 일대다 충전을 수행한다.이 시스템은 정보 수신기와 에너지 수신기가 분리된 SWIPT로 소개되며 Fig. 14에 도시되어 있다.
  • A. 선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff: Diode 선형 모델에서는 Information Beam과 Energy Beam을 분리된 Receiver로 전송하며, Harvested Energy를 최대화하도록 Transmit-Power 및 Information-Receiver SINR 제약하에서 Beamforming을 설계한다.최적화는 Semidefinite Relaxation 또는 Uplink-Downlink Duality를 사용해 풀 수 있으며, Zero-Forcing Initialization은 더 실용적인 대안을 제공한다.
  • A. 선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff: 다중 사용자 SWIPT에서는 Total Received RF Power를 최대화하면 Total Harvested DC Power가 최대화되고, CSCG Information Inputs만으로도 Rate-Energy Boundary를 충족할 수 있으며, Power Splitting이 Time Switching보다 우수하다.이러한 특성은 Diode-Linear Single-User Model에서 이어진다. 간섭을 제거할 수 없는 경우 최적 Tradeoff를 위해 Dedicated Energy Signal은 불필요하다.

B. 비선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff

다중 사용자 SWIPT에서는 saturation 및 diode 비선형 energy-harvesting 모델에 따라 rate-energy tradeoff와 beamforming 설계가 달라진다. saturation에서는 수신 RF power를 최대화하는 것만으로 harvested DC power를 최대화할 수 없으며, saturation을 고려한 dual variable은 이미 saturation에 도달한 receiver에 과도하게 목표를 집중하는 것을 방지한다.

  • B. 비선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff: saturation 모델의 resource-allocation 문제는 sum-of-ratios objective를 가지며, 이를 equivalent subtractive form으로 변환하면 효율적인 iterative optimal resource-allocation algorithm을 구현할 수 있다.최적화는 명시된 rate 및 power constraint를 계속 만족해야 한다.
  • B. 비선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff: 직교하는 energy-receiver channel과 zero information-rate requirement가 주어지면, saturation을 고려한 beamforming은 가장 강한 receiver를 향하는 diode-linear maximum-ratio transmission 대신 Σ_j g_jg_j^H의 maximum eigenmode를 사용한다.diode-linear 모델에서는 모든 transmit power가 channel norm이 가장 큰 receiver를 향해 할당되지만, saturation에서는 최적 방향이 maximum eigenmode로 바뀐다.
  • B. 비선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff: 각 receiver의 received-power constraint에 가중치를 부여하는 dual variable은 해당 receiver가 saturation에 진입할수록 감소하여, saturation된 receiver에 과도한 power allocation을 방지한다.이 가중치가 saturation 비선형 설계에서 beamforming 방향을 결정한다.
  • B. 비선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff: saturation 비선형 모델링은 diode-linear baseline에 비해 다중 사용자 rate-energy tradeoff를 변화시키며, 이는 하나의 information receiver와 다섯 개의 energy receiver에 대해 예시된다.비교에는 과 동일한 simulation parameter가 사용되며, baseline은 diode-linear 모델에서 total harvested power가 최대가 되도록 최적화된다.
  • B. 비선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff: single-user 경우와 달리, 사용자 전체에서 total received RF power를 최대화해도 saturation 비선형 모델에서는 total harvested DC power가 최대화되지 않는다.그 결과 beamforming 방향은 일반적으로 diode-linear formulation에서 얻은 방향과 다르며 operating regime에 따라 달라진다.
  • B. 비선형 모델에서의 Rate-Energy Tradeoff: diode 비선형 모델에 대한 single-user 관찰 결과는 다중 사용자 SWIPT로 확장될 것으로 예상되지만, saturation 모델의 관찰 결과는 모두 그대로 적용되지는 않는다.Reference [67]은 point-to-point ideal-receiver model을 사용하지만, 하나의 information receiver와 하나의 energy receiver를 포함하는 two-receiver setting에도 적용 가능한 것으로 설명된다.

C. 확장 및 향후 연구 · V. 프로토타이핑, 실험 및 검증 · A. 단일 서브밴드 전송

실험은 동일한 수신 RF 전력에서 real Gaussian 입력이 CSCG 입력 및 continuous wave보다 더 많은 DC 전력을 수확함을 보여 diode-nonlinear signal design을 검증한다. 향후 연구는 nonlinear multi-user WIPT design, 더 광범위한 아키텍처, 더 큰 네트워크, rate-splitting, real-time closed-loop prototyping을 대상으로 한다.

  • C. 확장 및 향후 연구: diode nonlinear model에서의 multi-user SWIPT는 여전히 largely unexplored 상태이며, 이에 따라 broadcast 및 interference channel을 위한 새로운 input-distribution, modulation, waveform design이 요구된다.[58]의 multi-user WPT waveform optimization framework가 출발점으로 제안된다.
  • C. 확장 및 향후 연구: Nonlinearity는 secrecy constraint의 유무와 관계없이 broadcast, multiple-access, interference, relay channel을 위한 SWIPT architecture를 재고하게 하며, large network 분석도 요구한다.이 방향들은 nonlinear energy-harvester model과 관련된다.
  • C. 확장 및 향후 연구: Diode nonlinearity는 multi-user WPCN 및 WPBC에도 영향을 줄 것으로 예상되며, waveform design은 각 tag에서 interference를 처리하는 동시에 reader SINR과 harvested energy를 최대화해야 한다.최근 연구 는 WPBC를 위한 nonlinear multi-user waveform design을 연구했다.
  • C. 확장 및 향후 연구: Rate-splitting은 모든 residual interference를 noise로 처리하는 대신 interference를 일부 decoding하고 일부는 noise로 처리함으로써 multi-user SWIPT framework를 개선할 수 있다.Baseline model은 residual multi-user interference를 전부 noise로 처리하는 linearly precoded transmission을 가정하며, rate-splitting은 다양한 network load에서 conventional linear precoding보다 우수한 성능을 보였다.
  • V. 프로토타이핑, 실험 및 검증: WIPT signal theory를 실험적으로 검증하는 일은 여전히 challenging하다. channel acquisition과 wireless power-and-information transfer 사이를 전환하는 closed-loop real-time over-the-air operation이 필요하기 때문이다.Channel acquisition은 millisecond level에서 수행되어야 한다.
  • A. 단일 서브밴드 전송: Pdc,N ≥ Pdc,CN ≥ Pdc,CW는 simulation과 experiment에서 성립하며, diode-nonlinear theory를 검증하고 harvested DC power에서 real Gaussian 입력이 CSCG 입력 및 continuous wave보다 우수함을 보여준다.이 측정 결과는 동일한 average RF power에서 linear diode model이 예측한 equal-DC-power도 반박한다.

B. 다중 서브밴드 전송 … VI. 결론

실험 결과, 비선형 채널 적응형 파형 설계는 수확되는 DC 전력을 크게 높일 수 있으며, 다중 안테나 빔포밍은 무선 전력 전송을 개선하는 것으로 나타났다. 논문은 WIPT 설계가 에너지 하베스터 모델에 근본적으로 의존하며, 프로토타이핑과 검증이 여전히 중요한 연구 과제라고 결론짓는다.

  • B. 다중 서브밴드 전송: 측정 결과, 수신 RF 전력을 최대화한다고 해서 수확되는 DC 전력이 반드시 최대화되지는 않음이 확인되었으며, 이는 다이오드 비선형성 모델링의 중요성을 입증한다.다중경로와 채널 주파수 선택성도 파형 설계와 수확 에너지에 상당한 영향을 미치며, 이 결과는 이론적 결과, 회로 시뮬레이션 및 독립 측정 결과와 일치한다.
  • B. 다중 서브밴드 전송: 측정 결과, 다이오드 비선형성을 고려한 채널 적응형 multisine 설계는 다이오드 선형 설계와 비적응형 파형보다 수확되는 DC 전력이 유의하게 더 높은 것으로 나타났다.비선형 설계는 정류기의 비선형성과 채널 주파수 다이버시티를 활용하기 위해 RF 입력 전력을 희생하고, 대신 수확되는 DC 전력을 최대화한다.
  • C. 다중 안테나 전송: 실제 다중 안테나 무선 전력 센서 네트워크 테스트베드는 에너지 중립 동작을 위한 수신 전력 기반 채널 추정, 에너지 빔포밍 및 적응형 듀티 사이클 제어를 검증한다.다중 안테나 빔포밍의 이점은 정류기 평균 입력 전력이 증가할수록 RF-to-DC 변환 효율이 높아지는 현상과 관련된다.
  • C. 다중 안테나 전송: 보고된 실험 결과에 따르면, 분산 전력 비콘은 동일 위치에 다수의 안테나를 배치한 단일 비콘과 비교해 커버리지 확률을 개선할 수 있다.이러한 분산 RF 전력 전송 설계는 낮은 종단 간 전력 전송 효율 문제를 해결하기 위해 개발되었다.
  • D. 확장 및 향후 연구: 향후 WPT 연구에서는 변조, 파형 및 빔포밍 설계, 다중 사용자 시스템, 재구성 가능한 정류기에 대한 추가 프로토타이핑이 필요하다.직렬 정류기 구성은 낮은 RF 입력 전력에서 더 높은 효율을 목표로 하는 반면, 병렬 구성은 높은 RF 입력 전력을 목표로 한다.
  • D. 확장 및 향후 연구: SWIPT 프로토타이핑은 아직 초기 단계에 머물러 있으며, 논의된 rate-energy 영역과 신호 설계를 검증한 실험 설정은 아직 없다.회로 시뮬레이션은 일부 새롭게 등장한 SWIPT 설계를 검증했지만,,,, 추가적인 트랜시버 연구는 진행 중이다.
  • VI. 결론: 논문의 핵심 결론은 WIPT 신호 및 시스템 설계가 기반이 되는 에너지 하베스터 모델에 근본적으로 의존한다는 것이다.이 튜토리얼은 세 가지 에너지 하베스터 모델을 제시하고 효율적인 WIPT 시스템의 향후 개발을 지원하는 것을 목표로 한다.
Loading 1803.07123v1…