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能量收集无线通信 || 点对点能量收集信道的功率分配

DOI：10.1002/9781119295952.ch2 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:22:29
摘要： 本章研究发射端与接收端均采用能量收集（EH）供电的点对点EH无线信道。在此设定下，我们首先通过时变自适应功率分配，在满足发射端能量收集约束（即任意时刻累积消耗能量不超过累积收集能量）的前提下，最大化各类系统效用指标（如端到端吞吐量与非中断概率）。针对不同信道状态信息（CSIT）与能量状态信息（ESIT）假设，我们探讨了相应的最优设计方案：例如在非因果CSIT与ESIT条件下，高斯信道的最优离线功率分配呈现非递减分段恒定（阶梯状）模式，而衰落信道的最优发射功率对应阶梯式注水算法分配；在因果ESIT与CSIT条件下，适用的在线优化策略包括基于动态规划及启发式设计的功率分配方法。同时我们指出了不同ESIT/CSIT情形下的若干开放性问题，例如因果CSIT与非因果/因果ESIT组合下的吞吐量最大化问题、无CSIT与非因果/因果ESIT组合下的中断概率最小化问题均未获一般性解决。此外，通过引入电池容量受限与电路非理想性等实际约束，我们将功率分配策略拓展至其他场景：在非因果CSIT/ESIT条件下，高斯信道的阶梯式分配与衰落信道的阶梯注水分配可经修正以适配新约束；存在电路非理想性时，EH发射端应采用开关式功率分配——通过休眠模式节能并在唤醒模式高效传输，从而权衡发射能耗与电路能耗。这些新型离线策略启发了仅依赖因果CSIT/ESIT的在线功率分配方法。最后我们讨论了发射端与接收端均采用EH供电时的功率分配问题，此时接收端能耗同样受EH约束。该场景下发射端与接收端需联合优化发射功率与码率（即控制接收端能耗）以提升端到端效用。值得注意的是，EH接收端情形在现有文献中研究较少，存在诸多值得未来探索的开放性问题（如因果CSIT/ESIT条件下的相关研究）。
作者： Chuan Huang，Sheng Zhou，Jie Xu，Zhisheng Niu，Rui Zhang，Shuguang Cui
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研究概述 实验方案

研究目的

通过设计无线发射端的功率分配，在考虑各种实际约束和信息可用性的情况下，刻画点对点能量收集信道中通信性能的基本极限。

研究成果

该论文得出结论：能量收集信道的最优功率分配策略高度依赖于CSIT（信道状态信息）和ESIT（能量状态信息）的可用性，非因果信息可实现阶梯式功率分配。实际约束条件（如电池容量有限和电路不完美）要求采用改进方法，以统一能效与频效。目前仍存在开放性问题，特别是因果信息场景及与能量收集接收机的联合优化问题，这为未来研究指明了方向。

研究不足

该论文讨论了若干局限性，例如针对大M值动态规划的计算复杂度、某些情况下理想储能的假设，以及特定CSIT与ESIT场景（如具有非因果ESIT的因果CSIT）中的开放性问题。文中提及电池漏电和不完美充电效率等实际约束，但未深入探讨。所建模型假设特定信道分布，可能无法涵盖所有现实场景。

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