瑞利衰落信道下 SWIPT 系统的信息能量容量域

本文研究了瑞利衰落信道上同步信息与功率传输的基本极限，其中考虑到高功率放大器非线性，信道输入受限于每次信道使用变化的峰值功率约束。具体地，考虑一个三方通信系统，其中发送端旨在同时向信息接收端传递信息并向能量收集接收端输送能量。针对静态峰值功率约束的特殊情形，我们研究了信息能量容量域及相应的输入分布，约束条件包括：发送端的平均功率与峰值功率约束、发送端的高功率放大器非线性，以及能量接收端的能量收集电路非线性。通过扩展 Smith 的数学框架，我们证明在这些约束下最优输入分布是离散的且具有有限个质量点。我们表明高功率放大器显著缩小了信息能量容量域。此外，我们推导了低峰值功率区间下可达容量的闭式表达式，此时信息与能量传输之间不存在折衷。对于时变峰值功率约束的情形，我们利用 Shannon 编码方案证明了最优输入分布具有有限支撑。具体地，我们数值研究了一个时变峰值功率约束的特定场景，其中峰值功率约束以概率方式取零或等于某一非零常数。