Avaliação de desempenho de um sistema ponto a ponto com transferência sem fio de energia e comunicações em regime de blocos de comprimento finito

Abstract

Resumo: Nesta dissertação é avaliado um sistema ponto a ponto com transferência sem fio de energia no downlink e transmissão de informação no uplink. Alguns resultados teóricos recentes sobre comunicação com palavras-código de tamanho finito são usados para caracterizar matematicamente o desempenho do sistema nos casos de transmissão de pacotes de pequeno comprimento. Comunicação cooperativa também é proposta para melhorar o desempenho do sistema por meio da utilização de um n'o relay com restrições de energia. O impacto da estimação imperfeita dos canais, do consumo de potência dos circuitos e da capacidade da bateria dos dispositivos é considerado para modelagem de um cenário mais realista. Duas aproximações matemáticas, em forma fechada, são obtidas para o sistema ideal nos casos de bateria infinita e finita. Cenários de comunicação ultra-confiáveis, representativos dos futuros sistemas 5G de comunicação sem fio, e com restrições de confiabilidade e atraso, são analisados através de simulação computacional. Os resultados mostram a existência de uma potência (ou energia) ótima para estimar o canal, que é função da energia captada. O desempenho ótimo acontece usando poucos usos de canal para transferência de informação e um número maior na fase de transferência de energia. A assistência de um n'o relay melhora o desempenho do sistema, fundamentalmente quando o n'o fonte codifica a mensagem em um bloco menor ainda. Além disso, demonstrou-se que o consumo de potência dos circuitos e a imperfeição na estimação do canal são cruciais e devem ser considerados nas análises.

Abstract: This dissertation evaluates a point-to-point communication system with wireless power transfer in the downlink and information transfer in the uplink. Some recent results on finite block-length codes theory are used to mathematically characterize the system performance when considering the transmission of short codewords. Cooperative communication is also proposed to improve system performance by means of an energy constrained relay. The impact of imperfect channel estimation, circuit power consumption and battery capacity of devices are taken into account in order to model a more realistic scenario. Two closed-form approximations are given for the ideal system case when batteries are assumed of infinite and finite capacity. Simulations are carried out for ultra reliable communication scenarios, representative of the next fifth-generation of wireless systems, with strict error and latency requirements. Results show the existence of an optimum power (or energy) to estimate the channel, which is a function of the harvested energy. The system performance is optimum when the number of channel uses for information transfer is small while more channel uses are employed for energy transfer. The relay assistance improves the system performance, specially when the source node codes the message in a shorter block. Also, we show that the circuit consumption and imperfect channel estimation are crucial and must be taken into account when analyzing these scenarios.