Wireless Information and Power Transfer for Next-Generation Mobile Networks: A System Level Perspective

Abstract

Over the past two decades, wireless communication networks have experienced an exponential rise in mobile users (MUs), leading to the widespread deployment of advanced technologies such as base stations (BSs), sensors, and various access points to ensure uninterrupted data services and support extremely high data rates. Despite these advancements, a significant challenge has emerged: the limited bat- tery life of MUs, which substantially impacts network performance, highlighting the urgent need for innovative power solutions. In this context, simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) emerges as a pivotal technology, particu- larly suited for the emerging era of sixth-generation (6G) wireless networks. 6G net- works are anticipated to operate seamlessly across diverse scenarios, encompassing both urban and remote areas, and are designed to cater to the needs of both static and high-mobility users while integrating terrestrial and non-terrestrial infrastruc- tures for comprehensive global coverage. The extensive range of applications and environments in 6G underscores the crucial role of SWIPT, with its dual function- ality in energy harvesting and data transmission. However, effectively integrating SWIPT into 6G networks is challenging, necessitating innovative approaches to en- hance its performance within the complex and diverse environment of 6G infras- tructures. Towards this direction, this PhD dissertation introduces a groundbreak- ing analytical framework based on stochastic geometry to comprehensively eval- uate the performance of wireless information and power transfer in 6G networks. This framework includes the development of novel techniques/schemes designed to enhance the efficiency of SWIPT across diverse scenarios within the 6G network environment. Firstly, in Chapter 3, we investigate the small- and large-scale SWIPT-enabled cellular networks. In specific, we develop a novel low-complexity threshold-based pair switching (TbPS) technique and a traffic load-based sleeping (TLbS) technique for infinite- and finite-area network deployments, respectively, focusing on the inter- ference management and illustrating the trade-off between information and power transfer. Motivated by the interference correlation issue discussed in Chapter 3 and aiming to further enhance the SWIPT performance, Chapter 4 delves into an investi- gation of the performance of a linear minimum mean square error (MMSE) receiver with the successive interference cancellation (SIC) technique within the context of SWIPT-enabled cellular networks. In Chapter 5, we focus on the SWIPT-enabled cellular networks with high-mobility MUs. A novel coverage area-based CoMP (CA-CoMP) scheme is proposed to reduce the handover rate and enhance the overall SWIPT performance of high-mobility MUs. Further, in Chapter 6, we delve into the exploration of a SWIPT-assisted ve- hicular network. Utilizing SWIPT technology, battery-operated road-side sensors simultaneously receive control information and harvest energy from cellular BSs, subsequently using the harvested energy to spread data to vehicles. In Chapter 7 and Chapter 8, we expand our exploration into the domains of non- terrestrial networks. In specific, Chapter 7 investigates the multi-tier low Earth orbit (LEO) satellite networks in the context of three association schemes. In Chapter 8, we study the feasibility of space-based solar power (SSP) system with LEO satellites. Throughout this PhD dissertation, we employ tools from stochastic geometry that enable the evaluation of fundamental network performance metrics, includ- ing coverage probability, handover rate, data rate, and the amount of harvested energy. The established analyal framework facilitates the derivation of closed-form expressions, providing a quick and convenient methodology to assess system per- formance, and offering valuable insights into the impact of key system parameters on the performance of SWIPT-enabled 6G networks.

Κατά τις δύο τελευταίες δεκαετίες, τα ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας έχουν βιώσει μια εκ-θετική αύξηση στους κινητούς χρήστες (MUs), οδηγώντας στην εκτεταμένη ενσωμάτωση προηγμένων τεχνολογιών όπως οι σταθμοί βάσεις (BSs), αισθητήρες και διάφορα σημε¬ία πρόσβασης υπεύθυνα για την αδιάλειπτη εξασφάλιση δεδομένων και την υποστήριξη εξαιρετικά υψηλών ταχυτήτων. Παρά τις προόδους αυτές, έχει προκόψει ένα σημαντι¬κό πρόβλημα: η περιορισμένη διάρκεια ζωής της μπαταρίας των MUs, η οποία επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του δικτύου, τονίζοντας την επείγουσα ανάγκη για καινοτόμες λύσεις ενέργειας. Σε αυτό το πλαίσιο, η ταυτόχρονη ασύρματη μετάδοση πληροφοριών και ενέργειας (SWIPT) αναδεικνύεται ως μια καθοριστική τεχνολογία, ιδιαίτερα κατάλ¬ληλη για την επερχόμενη εποχή των δικτύων ασύρματης επικοινωνίας έκτης γενιάς (6G). Τα δίκτυα 6G αναμένεται να λειτουργούν απρόσκοπτα σε διάφορα σενάρια, καλύπτοντας τόσο αστικές όσο και απομακρυσμένες περιοχές, και είναι σχεδιασμένα για να ικανοποιο-ύν τις ανάγκες τόσο των στατικών όσο και των χρηστών υψηλής κινητικότητας, ενώ ενσωματώνουν επίγειες και μη επίγειες υποδομές για παγκόσμια κάλυψη. Η πληθώρα εφαρμογών των 6G δικτύων υπογραμμίζει τον κρίσιμο ρόλο της τεχνολογίας SWIPT, με τη διπλή λειτουργικότητα στη συλλογή ενέργειας και τη μετάδοση δεδομένων. Ωστόσο, η αποτελεσματική ένταξη της τεχνολογίας SWIPT στα δίκτυα 6G αποτελεί πρόκληση, απαιτώντας καινοτόμες προσεγγίσεις για την ενίσχυση της απόδοσής της εντός του πε-ρίπλοκου και διαφορετικού περιβάλλοντος των υποδομών. Προς αυτή την κατεύθυνση, αυτή η διδακτορική διατριβή παρουσιάζει ένα καινοτόμο αναλυτικό πλαίσιο βασισμένο στη στοχαστική γεωμετρία για την ολοκληρωμένη αξιολόγηση της απόδοσης της ασύρματης μετάδοσης πληροφοριών και ενέργειας στα δίκτυα 6G. Αυτό το πλαίσιο περιλαμβάνει την ανάπτυξη νέων τεχνικών/σχημάτων σχεδιασμένων για την ενίσχυση της αποδοτικότητας του SWIPT σε διάφορα σενάρια εντός του περιβάλλοντος δικτύου 6G. Καταρχάς, στο Κεφάλαιο 3, διερευνούμε τα μικρής και μεγάλης κλίμακας δίκτυα κυψελωτής επικοινωνίας που επιτρέπουν την τεχνολογία SWIPT. Συγκεκριμένα, αναπτύσσου¬με μια νέα τεχνική εναλλαγής ζεύγους βασισμένη σε κατώφλι χαμηλής πολυπλοκότητας (TbPS) και μια τεχνική ύπνου βασισμένη στο φορτίο κίνησης (TLbS) για την ανάπτυξη δικτύων μη πεπερασμένης και πεπερασμένης περιοχής, αντίστοιχα, επικεντρώνοντας στη διαχείριση της παρεμβολής και απεικονίζοντας τον συμβιβασμό μεταξύ της μεταφοράς πλη¬ροφοριών και ενέργειας. Με κίνητρο το ζήτημα της συσχέτισης παρεμβολής που συζητε- ίται στο Κεφάλαιο 3 και με στόχο την περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης της τεχνολογίας SWIPT, το Κεφάλαιο 4 εμβαΟύνει σε μια διερεύνηση της απόδοσης ενός γραμμικού δέκτη ελάχιστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος (MMSE) με την τεχνική διαδοχικής ακύρω¬σης παρεμβολής (SIC) στο πλαίσιο των κυψελωτών δικτύων επικοινωνίας που επιτρέπουν την τεχνολογία5ννΐΡΤ. Στο Κεφάλαιο 5, επικεντρωνόμαστε στα κυψελωτά δίκτυα επικοινωνίας που επιτρέπουν την τεχνολογία SWIPT με χρήστες υψηλής κινητικότητας. Προτείνεται ένα νέο σχήμα CA-CoMP για τη μείωση του ρυθμού ηανδοερ και τη βελτίωση της συνολικής απόδοσης της τεχνολογίας SWIPT για χρήστες υψηλής κινητικότητας. Επιπλέον, στο Κεφάλαιο 6, εμβαύύνουμε στην εξερεύνηση ενός δικτύου οχημάτων που υποστηρίζεται από την τεχνολογία SWIPT. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία SWIPT, οι αισθητήρες που είναι τοποθετημένη στη πλευρά του δρόμου και λειτουργούν με μπαταρία, λαμβάνουν ταυτόχρο¬να πληροφορίες ελέγχου και συλλέγουν ενέργεια από τους κυψελωτούς σταθμούς βάσης, χρησιμοποιώντας στη συνέχεια την συλλεγμένη ενέργεια για τη διάδοση δεδομένων στα οχήματα. Στο Κεφάλαιο 7 και στο Κεφάλαιο 8, επεκτείνουμε την εξερεύνησή μας στους τομείς των μη επίγειων δικτύων. Ειδικότερα, το Κεφάλαιο 7 διερευνά τα πολυεπίπεδα δίκτυα δορυφόρων χαμηλής τροχιάς της Γης (LEO) στο πλαίσιο τριών σχημάτων συσχέτισης. Στο Κεφάλαιο 8, μελετάμε την εφικτότητα του συστήματος ηλιακής ενέργειας διαστήματος (SSP) με δορυφόρους LEO. Σε όλη αυτή τη διδακτορική διατριβή, χρησιμοποιούμε εργαλεία από τη στοχαστική γεωμετρία που επιτρέπουν την αξιολόγηση των θεμελιωδών μετρικών απόδοσης δικτύου, συμπεριλαμβανομένων της πιθανότητας κάλυψης, του ρυθμού ηανδοερ, της ταχύτητας δεδομένων και της ποσότητας της συλλεγμένης ενέργειας. Το καθιερωμένο αναλυτικό πλαίσιο διευκολύνει την παραγωγή εκφράσεων σε κλειστή μορφή, παρέχοντας μια γρήγο¬ρη και βολική μεθοδολογία για την αξιολόγηση της απόδοσης του συστήματος και προσφέροντας πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τον αντίκτυπο των κύριων παραμέτρων του συστήματος στην απόδοση των δικτύων 6G που επιτρέπουν την τεχνολογία SWIPT.