Signalentwurf und -optimierung für drahtlose Kommunikationssysteme mit nichtlinearem RF Energy Harvesting

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Schober
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414988357

Die Knoten von drahtlosen Systemen brauchen für die Übertragung von Kommunikationssignalen und für das Ausführen von Sensor- und Verarbeitungsaufgaben Energie. In herkömmlichen Systemen wird diese Energie mittels elektrischer Leitungen oder Batterien verfügbar gemacht. Allerdings schränken elektrische Leitungen die Mobilität der Knoten erheblich ein und Batterien müssen von Zeit zu Zeit manuell neu geladen oder ersetzt werden. Beide Lösungen sind für Anwendungen mit vielen kleinen oder unzugänglichen Knoten (z.B. in gefährlicher Umgebung installierte Sensoren, Internet-of-Things Knoten, etc.) ungeeignet. Für solche Anwendungen stellt die hochfrequente drahtlose Leistungsübertragung zur Versorgung von drahtlosen Knoten mit Energie eine attraktive alternative Lösung dar. Um die Leistungsfähigkeit von drahtlosen Netzwerken mit hochfrequentem Energy Harvesting zu maximieren müssen die Signale, die zur drahtlosen Kommunikation und zur drahtlosen Energieübertragung verwendet werden, gemeinsam optimiert werden. Jedoch nehmen fast alle bisherigen Arbeiten zu diesem Thema einen linearen Zusammenhang zwischen der Leistung des empfangenen hochfrequenten Signals und der gewonnenen Energie an. Leider ist diese Annahme, die den Entwurf und die Analyse erheblich erleichtert, nicht gerechtfertigt, da Schaltkreise, die Energy-Harvesting ermöglichen, inhärent nichtlinear sind. Daher kann die Performanz von drahtlosen Kommunikationssystemen mit hochfrequentem Energy Harvesting, die basierend auf dem vereinfachten linearen Energy-Harvesting-Modell entworfen wurden, stark suboptimal sein. Der Entwurf und die Optimierung von Signalen für drahtlose Kommunikationssysteme mit nichtlinearem hochfrequentem Energy Harvesting, die im Fokus dieses Projekts stehen, sind von großer praktischer Bedeutung und stellen theoretisch anspruchsvolle Probleme dar. Aufbauend auf unseren Vorarbeiten werden in diesem Projekt genaue, aber dennoch mathematisch handhabbare, nichtlineare Modelle für das Eingangs-Ausgangs-Verhalten von Energy-Harvesting-Schaltkreisen mit mehreren Dioden entwickelt. Basierend auf diesen Modellen und schon existierenden Modellen für Energy-Harvesting-Schaltkreise mit einer Diode werden darüberhinaus die Form des Sendesignals für verschiedene grundlegende Netzwerkarchitekturen mit Energy-Harvesting-Knoten, wie Mehrbenutzersysteme, Mehrantennensysteme und Systeme mit Relais, entworfen und optimiert. Für jede betrachtete Netzwerkarchitektur wird der optimale Sendesignalentwurf untersucht und mit suboptimalen, aber möglicherweise weniger komplexen Lösungen verglichen. Dabei sollen der inhärente Austausch zwischen drahtloser Leistungsübertragung und drahtloser Informationsübertragung untersucht, Richtlinien für den Entwurf praktischer Systeme entwickelt, und das Potential von drahtloser Leistungsübertragung für zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme evaluiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen