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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden drahtlose Kommunikationsnetzwerke untersucht, die auf Hochfrequenz- Energieübertragung (wireless power transfer, WPT) basieren. Da praktische elektrische Schaltungen, die für Energiegewinnung (energy harvesting, EH) verwendet werden, ein nichtlineares Verhalten aufweisen, haben wir zunächst durch sorgfältige Analyse dieser Schaltungen ein präzises EH- Modell abgeleitet, um die Abhängigkeit zwischen der gewonnenen Momentanleistung und der momentanen Eingangsleistung zu charakterisieren. Es wurde gezeigt, dass die Wellenform des Sendesignals in den auf WPT basierenden Kommunikationssystemen sorgfältig unter Berücksichtigung der Nichtlinearitäten der EH-Schaltungen sowohl im niedrigen, als auch im hohen Eingangsleistungsbereich entworfen werden muss. Zudem wurde demonstriert, dass die EH-Schaltungen gedächtnisbehaftet sind, falls die Dauer des Sendesignalimpulses kurz ist. Um alle Nichtlinearitäten und Gedächtniseffekte von EH-Schaltungen zu charakterisieren, wurde ein Modell vorgeschlagen, das auf Markow-Entscheidungsprozessen (Markov decision processes, MDPs) und tiefen neuronalen Netzwerken (deep neural networks, DNNs) basiert. Wir betrachteten drahtlose Systeme für gleichzeitige Informations- und Energieübertragung (simultaneous wireless information and power transfer, SWIPT) mit gemeinsamen und getrennten Informationsempfangs- (information receiving, IR) und EH-Knoten, wobei der MDP-Zustand des EH-Geräts am IR-Knoten bekannt bzw. nicht bekannt war. Wir haben gezeigt, dass die Phase der Sendesymbole gleichmäßig verteilt und statistisch unabhängig von dem MDP-Zustand und den Sendesymbolamplituden ist, deren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für beide SWIPT-Systemkonfigurationen als Lösungen entsprechender Optimierungsprobleme erhalten wurden. Danach untersuchten wir Mehrbenutzer-Mehrantennen-WPT-Systeme und drahtlos angetriebene Kommunikationssysteme (wireless powered communication systems, WPCNs) und bestimmten die optimalen Sendeenergiesignale und die Allokation der vorhandenen Ressourcen für beide Systeme. Insbesondere wurde gezeigt, dass das optimale Energiesignal für Mehrbenutzer-WPT mit mehreren Antennen auf Sender- und Empfängerseite (multiple-input multiple-output, MIMO) ein skalares Eingabesymbol und höchstens zwei Beamforming-Vektoren verwendet, die als Lösung eines nicht-konvexen Optimierungsproblems bestimmt wurden. Außerdem haben wir bewiesen, dass die maximale Anzahl von Sendeenergiesignalvektoren für Mehrbenutzer-WPCNs mit mehreren Sende- und einer Empfangsantenne (multiple-input single-output, MISO) die Anzahl der Benutzer um eins übersteigt. Es wurden ein optimaler sowie drei suboptimale Algorithmen vorgeschlagen, um die Sendeenergiesignalvektoren für WPCNs zu finden. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die vorgeschlagenen optimalen und suboptimalen Algorithmen für Mehrbenutzer-WPT und WPCNs auf Kosten einer höheren Rechenkomplexität die auf linearen bzw. sigmoidalen EH-Modellen basierenden Basisschemata deutlich übertreffen. Trotz der erheblichen Fortschritte beim optimalen Design von auf WPT basierenden Kommunikationssystemen gibt es immer noch mehrere Implementierungsherausforderungen, die die Anwendbarkeit dieser Netzwerke einschränken und in zukünftigen Arbeiten angegangen werden müssen. Trotzdem glauben wir, dass die in diesem Projekt erzielten analytischen und numerischen Ergebnisse für die Gestaltung praktischer EH-basierter Kommunikationsnetzwerke in naher Zukunft nützlich sein werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Conditional Capacity and Transmit Signal Design for SWIPT Systems With Multiple Nonlinear Energy Harvesting Receivers. IEEE Transactions on Communications, 68(1), 582-601.
  Morsi, Rania; Jamali, Vahid; Hagelauer, Amelie; Ng, Derrick Wing Kwan & Schober, Robert
  
• Rate-Power Region of SWIPT Systems Employing Nonlinear Energy Harvester Circuits with Memory. ICC 2020 - 2020 IEEE International Conference on Communications (ICC), 1-7. IEEE.
  Shanin, Nikita; Cottatellucci, Laura & Schober, Robert
  
• Markov Decision Process Based Design of SWIPT Systems: Non-Linear EH Circuits, Memory, and Impedance Mismatch. IEEE Transactions on Communications, 69(2), 1259-1274.
  Shanin, Nikita; Cottatellucci, Laura & Schober, Robert
  
• Optimal Transmit Strategy for MIMO WPT Systems With Non-linear Energy Harvesting. 2021 17th International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS), 520-527. IEEE.
  Shanin, Nikita; Cottatellucci, Laura & Schober, Robert
  
• Distributed Multiantenna Frequency-Selective Energy Beamforming With Joint Total and Individual Power Constraints. IEEE Transactions on Green Communications and Networking, 6(4), 2100-2114.
  Luo, Bing; Yeoh, Phee Lep; Schober, Robert & Krongold, Brian S.
  
• Optimal Energy Signal Design for Multi-user MISO WPCNs With Non-linear Energy Harvesting Circuits
  N. Shanin, A. Hagelauer, L. Cottatellucci & R. Schober
  
• Optimal Resource Allocation and Beamforming for Two-User Miso WPCNS for a Non-Linear Circuit-Based EH Model : (Invited Paper). ICASSP 2022 - 2022 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), 8642-8646. IEEE.
  Shanin, Nikita; Garkisch, Moritz; Hagelauer, Amelie; Schober, Robert & Cottatellucci, Laura
  
• Optimal Resource Allocation Design for Large IRS-Assisted SWIPT Systems: A Scalable Optimization Framework. IEEE Transactions on Communications, 70(2), 1423-1441.
  Xu, Dongfang; Jamali, Vahid; Yu, Xianghao; Ng, Derrick Wing Kwan & Schober, Robert
  
• Optimal Transmit Strategy for Multi-User MIMO WPT Systems With Non-Linear Energy Harvesters. IEEE Transactions on Communications, 70(3), 1726-1741.
  Shanin, Nikita; Cottatellucci, Laura & Schober, Robert
  
• Resource Allocation for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer Systems: A Tutorial Overview. Proceedings of the IEEE, 110(1), 127-149.
  Wei, Zhiqiang; Yu, Xianghao; Ng, Derrick Wing Kwan & Schober, Robert