无线信息与能量传输：非线性、波形设计与速率-能量权衡

迄今为止，无线信息与能量传输（Wireless Information and Power Transfer, WIPT）的设计一直依赖于一个过度简化且不准确的能量采集器线性模型。本文摒弃该线性模型，在考虑整流器非线性的前提下设计WIPT。我们建立了一个易于处理且足够灵活的整流器非线性模型，可应对一般的多载波调制输入波形。借助该模型，我们提出并引入了一种新颖的WIPT架构，该架构依赖于在发射端叠加多载波未调制与已调制波形。叠加的WIPT波形根据信道状态信息进行优化，以刻画整个系统的速率-能量区域。分析与数值结果展示了所推导波形及WIPT架构的性能，并突显非线性从根本上改变了WIPT的设计。我们得出了若干关键且令人耳目一新的观察结论。第一，分析（经电路仿真证实）表明，已调制与未调制波形并非同等适用于无线能量传输，即调制在单载波传输中有利，但在多载波传输中不利。第二，多载波未调制波形（叠加于多载波已调制波形之上）有助于扩大WIPT的速率-能量区域。第三，功率分割与时间共享的组合通常是上佳策略。第四，在多载波传输中，非零均值高斯输入分布优于传统的可达容量零均值高斯输入分布。第五，整流器非线性对系统性能有益，且对高效的WIPT设计至关重要。