無線信息和能量傳輸：結構設計和速率-能量平衡

Wireless Information and Power Transfer: Architecture Design and Rate-Energy Tradeoff
論文研究的問題
提出了三種動態的功率分配，包括time switching(TS),static power splitting(SPS），和on-off power splitting(OPS)
此外提出了兩種實際的接收結構：分離式和整體式
通過分析這些功率分配方案和實際接收結構來獲得速率和能量之間的聯繫。
兩個關鍵的挑戰
1、用於接收能量的電路不能直接解碼信息；
2、適用於WIT的接收結構並不適用於SWIPT。
提出一種新的接收結構:通過將傳統信息解碼中活躍裝置的使用替換爲消極的整流操作來達到消耗更少能量的目的。
系統模型
信息接收



ncov是射頻信號轉換爲基帶信號時產生的噪聲
能量接收



這裏利用了肖特基二極管的特性，並運用泰勒展開，忽略高階，再通過低通濾波器得到得到上面的結果。
天線和整流器的噪聲均忽略不計
性能上限：

只考慮了信道噪聲，並且認爲能量轉換率爲1 。
功率分配
ρ表示功率分配係數，α代表信息接收處於off或者on狀態的時間分配
TS

SPS

OPS

在分離式信息和能量接收結構中的速率-能量平衡
結構

列出了TS和SPS的R-E region，經過推導得出SPS體系是最優的DPS體系。
在一體式信息和能量接收結構中的速率-能量平衡

挑戰：信道是非線性的
考慮了兩種情況：σ2 A → 0和 σrec → 0
對於ρ→1：


考慮ADC噪聲：


結論：當系統噪聲增加時，SepRx次於IntRx，當系統噪聲較小時，SepRx更優；當系統噪聲增加時，SepRx需要用於解碼的功率更多。
考慮接收電路功率損耗
用於信息解碼：
Sep:Ps=Pm+Padc
Int:Pi=Padc
A. Separated Receiver with PS > 0


可以證明
提出問題：
經過一系列化簡，並利用特殊函數進行求解
B. Integrated Receiver with PI > 0


具體仿真結果如下：

實際模型
對於分離式的接收結構，調製方式採用QAM；對於一體式的接收結構，借鑑PAM調製，提出了一種脈衝能量調製，稱爲PEM（pulse energy modulation）.


在SER和最小接收能量的限制條件下，實現最大速率
Sep:
Int: 這裏的最優方案參考 X. Zhou, R. Zhang, and C. K. Ho, 「Wireless information and power transfer: architecture design and rate-energy tradeoff.」 Available: arXiv:1205.0618. 結論：在傳輸距離較小時，一體式的接收結構比分離式能實現更大的傳輸速率。