title: Optimal Design of Communication Systems Based on Wireless Power Transfer with Non-linear Energy Harvesting
title: Optimaler Entwurf von auf drahtloser Energieübertragung mit nicht-linearer Energiegewinnung basierenden Kommunikationssystemen
Creators: name: Shanin, Nikita
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Wireless Power Transfer
subject: Energy Harvesting
subject: Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT)
subject: Wireless Powered Communication Network (WPCN)
subject: Terahertz Communication
subject: Terahertz Energy Harvesting
subject: Optimal Signal Design

description: The growth of the number of low-power Internet-of-Things (IoT) devices, such as wireless sensors and wearable medical devices, has recently fuelled interest in the design of small-scale dense IoT communication networks. Despite the notable progress in the development and optimization of these networks, efficient recharging of batteries of small low-power IoT devices still remains an unsolved problem. Since radio frequency (RF) signals are capable of transferring not only information, but also power, wireless power transfer (WPT) constitutes a promising solution to this problem. In this dissertation, we investigate the optimal transmit energy signal design and resource allocation for WPT-based gigahertz (GHz)- and terahertz (THz)-band wireless communication networks. First, we present the electrical circuits, which are typically utilized to harvest power from the received RF signals at user devices, and show that they exhibit a non-linear behaviour. Then, in contrast to other works on the design of WPT-based networks, we accurately take into account the non-linearities of practical energy harvesting (EH) circuits and we optimally design RF GHz-band multi-user WPT systems, wireless powered communication networks (WPCNs), and simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems. Furthermore, we also study the tradeoff between the achievable rate and average harvested power in single-user THz SWIPT systems.
description: Das Wachstum der Anzahl von Internet-of-Things (IoT) Geräten, wie drahtlose Sensoren und tragbare medizinische Geräte, hat in den letzten Jahren das Interesse an dem Entwurf kleiner IoT-Kommunikationsnetzwerke geweckt. Trotz der Fortschritte bei der Entwicklung und Optimierung dieser Netzwerke bleibt das effiziente Aufladen der Batterien kleiner IoT-Geräte mit geringem Stromverbrauch immer noch ein ungelöstes Problem. Da Hochfrequenzsignale nicht nur Informationen, sondern auch Energie übertragen können, stellt die drahtlose Energieübertragung (wireless power transfer, WPT) eine vielversprechende Lösung für dieses Problem dar. In dieser Arbeit untersuchen wir den optimalen Entwurf und die Ressourcenallokation für WPT-basierte drahtlose Kommunikationsnetzwerke in den Gigahertz (GHz) und Terahertz (THz) Frequenzbändern. Zunächst stellen wir die elektrischen Schaltungen vor, die typischerweise zur Energiegewinnung (energy harvesting, EH) aus den empfangenen Hochfrequenzsignalen an Benutzergeräten verwendet werden und zeigen, dass sie ein nichtlineares Verhalten aufweisen. Unter Berücksichtigung der Nichtlinearitäten praktischer EH-Schaltungen entwerfen wir optimale GHz-Band-Mehrbenutzer-WPT-Systeme, drahtlos gespeiste Kommunikationsnetzwerke (wireless powered communication networks, WPCNs) und Systeme für gleichzeitige drahtlose Informations- und Energieübertragung (simultaneous wireless information and power transfer, SWIPT). Außerdem untersuchen wir den Austausch zwischen der erreichbaren Informationsrate und der durchschnittlichen gewonnenen Energie in THz-SWIPT-Systemen.