具有多个非线性能量收集接收机的 SWIPT 系统的条件容量与发射信号设计
信息论
2019-12-03 v2 math.IT
摘要
我们研究了采用非线性射频（RF）能量收集（EH）接收机（Rxs）的同步无线信息与功率传输（SWIPT）系统的信息论极限。具体而言，我们考虑一个 SWIPT 系统，其中一个发射机将公共信号广播给一个信息解码（ID）接收机与多个 EH 接收机。由于 EH 接收机电路的非线性，无线功率传输的效率取决于发射信号的波形。我们旨在回答以下基本问题：在 EH 接收机处需收获的各自最小所需直流（DC）功率条件下，使 ID 接收机处信息传输速率最大化的发射信号波形的最优输入分布是什么？具体地，我们研究了受发射机平均功率（AP）与峰值功率（PP）约束以及 EH 接收机处非线性 EH 约束的、被加性白高斯噪声损伤的 SWIPT 系统的条件容量问题。为此，我们建立了一种新颖的非线性 EH 模型，该模型通过考虑整流二极管的反向击穿电流来刻画所收获 DC 功率的饱和特性。我们推导了所收获 DC 功率的新颖半闭式表达式，其在低输入 RF 功率下可简化为闭式。所推导的解析表达式被证明与电路仿真结果紧密吻合。我们求解了实值与复值信令的条件容量问题，并证明使速率-能量（R-E）区域最大化的输入分布唯一且离散，具有有限个质量点。此外，我们表明由于高输入 RF 功率下所收获 DC 功率的饱和，R-E 区域的边界在高 PP 约束下趋于饱和。另外，我们设计了一种次优输入分布，其 R-E 折衷性能接近于最优。
引用
@article{arxiv.1903.09299,
title = {Conditional Capacity and Transmit Signal Design for SWIPT Systems with Multiple Nonlinear Energy Harvesting Receivers},
author = {Rania Morsi and Vahid Jamali and Amelie Hagelauer and Derrick Wing Kwan Ng and Robert Schober},
journal= {arXiv preprint arXiv:1903.09299},
year = {2019}
}
备注
32 pages, 10 figures, 2 Tables, accepted for publication IEEE Transactions on Communications, DOI 10.1109/TCOMM.2019.2951109