无线信息和能量传输：结构设计和速率-能量平衡

Wireless Information and Power Transfer: Architecture Design and Rate-Energy Tradeoff
论文研究的问题
提出了三种动态的功率分配，包括time switching(TS),static power splitting(SPS），和on-off power splitting(OPS)
此外提出了两种实际的接收结构：分离式和整体式
通过分析这些功率分配方案和实际接收结构来获得速率和能量之间的联系。
两个关键的挑战
1、用于接收能量的电路不能直接解码信息；
2、适用于WIT的接收结构并不适用于SWIPT。
提出一种新的接收结构:通过将传统信息解码中活跃装置的使用替换为消极的整流操作来达到消耗更少能量的目的。
系统模型
信息接收



ncov是射频信号转换为基带信号时产生的噪声
能量接收



这里利用了肖特基二极管的特性，并运用泰勒展开，忽略高阶，再通过低通滤波器得到得到上面的结果。
天线和整流器的噪声均忽略不计
性能上限：

只考虑了信道噪声，并且认为能量转换率为1 。
功率分配
ρ表示功率分配系数，α代表信息接收处于off或者on状态的时间分配
TS

SPS

OPS

在分离式信息和能量接收结构中的速率-能量平衡
结构

列出了TS和SPS的R-E region，经过推导得出SPS体系是最优的DPS体系。
在一体式信息和能量接收结构中的速率-能量平衡

挑战：信道是非线性的
考虑了两种情况：σ2 A → 0和 σrec → 0
对于ρ→1：


考虑ADC噪声：


结论：当系统噪声增加时，SepRx次于IntRx，当系统噪声较小时，SepRx更优；当系统噪声增加时，SepRx需要用于解码的功率更多。
考虑接收电路功率损耗
用于信息解码：
Sep:Ps=Pm+Padc
Int:Pi=Padc
A. Separated Receiver with PS > 0


可以证明
提出问题：
经过一系列化简，并利用特殊函数进行求解
B. Integrated Receiver with PI > 0


具体仿真结果如下：

实际模型
对于分离式的接收结构，调制方式采用QAM；对于一体式的接收结构，借鉴PAM调制，提出了一种脉冲能量调制，称为PEM（pulse energy modulation）.


在SER和最小接收能量的限制条件下，实现最大速率
Sep:
Int:
这里的最优方案参考 X. Zhou, R. Zhang, and C. K. Ho, “Wireless information and power transfer: architecture design and rate-energy tradeoff.” Available: arXiv:1205.0618.
结论：在传输距离较小时，一体式的接收结构比分离式能实现更大的传输速率。