This paper investigates the integration of wireless information and power transfer (SWIPT) and cell-free massive multiple-input multiple-output (MIMO) technologies for a cell-free spatially random network, where the access points (APs) are located randomly and modeled using a Poisson point process, and the users’ energy and data transfers are separated in time. For the time-division-duplexing mode of operation, the uplink channel state information is acquired locally at the distributed APs via user pilots, and the APs utilize conjugate beamforming for downlink transmissions by exploiting channel reciprocity. In addition, line-of-sight and non-line-of-sight scenarios, which arise from link blockages due to objects are considered along with the corresponding path loss and fading parameters in our performance analysis of the above system set-up. We characterize the harvested energy at a user for both linear and non-linear energy harvesting models, and derive expressions for the average achievable downlink rate for the energy harvesting users. Subsequently, we propose a multi-slot energy storing scheme, and thereby, derive the probability of a user being fully charged at any given time. The throughput and the harvested energy are investigated under different system parameters. We show that a higher mean energy can be harvested by energy users with limited impact on non-energy users through allocating a higher portion of power for the energy users. Furthermore, we reveal that increasing the AP power level has diminishing effect on the probability of being within the fully charged state.

中文翻译：

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基于随机几何的 SWIPT 在无细胞大规模 MIMO 中的性能表征

本文研究了无线信息和功率传输 (SWIPT) 和无细胞大规模多输入多输出 (MIMO) 技术的集成，用于无细胞空间随机网络，其中接入点 (AP) 随机定位并建模采用泊松点过程，用户的能量和数据传输在时间上是分开的。对于时分双工操作模式，通过用户导频在分布式 AP 本地获取上行链路信道状态信息，AP 通过利用信道互易性对下行链路传输使用共轭波束成形。此外，在我们对上述系统设置的性能分析中，还考虑了由于物体导致的链路阻塞引起的视线和非视线场景以及相应的路径损耗和衰落参数。我们针对线性和非线性能量收集模型表征用户处收集的能量，并推导出能量收集用户的平均可实现下行链路速率的表达式。随后，我们提出了一种多槽储能方案，从而推导出用户在任何给定时间充满电的概率。在不同的系统参数下研究了吞吐量和收集的能量。我们表明，通过为能源用户分配更多的电力，能源用户可以获得更高的平均能源，而对非能源用户的影响有限。此外，我们揭示了增加 AP 功率水平对处于完全充电状态的可能性的影响会减弱。并推导出能量收集用户平均可实现的下行链路速率的表达式。随后，我们提出了一种多槽储能方案，从而推导出用户在任何给定时间充满电的概率。在不同的系统参数下研究了吞吐量和收集的能量。我们表明，通过为能源用户分配更多的电力，能源用户可以获得更高的平均能源，而对非能源用户的影响有限。此外，我们揭示了增加 AP 功率水平对处于完全充电状态的可能性的影响会减弱。并推导出能量收集用户平均可实现的下行链路速率的表达式。随后，我们提出了一种多槽储能方案，从而推导出用户在任何给定时间充满电的概率。在不同的系统参数下研究了吞吐量和收集的能量。我们表明，通过为能源用户分配更多的电力，能源用户可以获得更高的平均能源，而对非能源用户的影响有限。此外，我们揭示了增加 AP 功率水平对处于完全充电状态的可能性的影响会减弱。推导出用户在任何给定时间充满电的概率。在不同的系统参数下研究了吞吐量和收集的能量。我们表明，通过为能源用户分配更多的电力，能源用户可以获得更高的平均能源，而对非能源用户的影响有限。此外，我们揭示了增加 AP 功率水平对处于完全充电状态的可能性的影响会减弱。推导出用户在任何给定时间充满电的概率。在不同的系统参数下研究了吞吐量和收集的能量。我们表明，通过为能源用户分配更多的电力，能源用户可以获得更高的平均能源，而对非能源用户的影响有限。此外，我们揭示了增加 AP 功率水平对处于完全充电状态的可能性的影响会减弱。