[論文レビュー] Backscatter-Assisted Wireless Powered Communication Networks Empowered by Intelligent Reflecting Surface

Parisa Ramezani, Abbas Jamalipour|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 33被引用数 43

ひとこと要約

本稿は、インテリジェント反射表面（IRS）を支援するバックスキャター型無線駆動通信ネットワーク（BS-WPCN）を提案し、IRSの反射係数、送信/受信ビームフォーミング、パワーおよび時間割り当てを共同最適化することでネットワークスループットを最大化する。実用的なエネルギー回収モデルと、交互最適化および逐次凸近似を用いた二段階アルゴリズムを採用し、従来のWPCNおよびIRS支援ベースラインと比較して、特に現実的な離散位相シフト制約下でも顕著なスペクトル効率の向上を達成する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) has recently been emerged as an effective way for improving the performance of wireless networks by reconfiguring the propagation environment through a large number of passive reflecting elements. This game-changing technology is especially important for stepping into the Internet of Everything (IoE) era, where high performance is demanded with very limited available resources. In this paper, we study a backscatter-assisted wireless powered communication network (BS-WPCN), in which a number of energy-constrained users, powered by a power station (PS), transmit information to an access point (AP) via backscatter and active wireless information transfer, with their communication being aided by an IRS. Using a practical energy harvesting (EH) model which is able to capture the characteristics of realistic energy harvesters, we investigate the maximization of total network throughput. Specifically, IRS reflection coefficients, PS transmit and AP receive beamforming vectors, power and time allocation are designed through a two-stage algorithm, assuming minimum mean square error (MMSE) receiver at the AP. The effectiveness of the proposed algorithm is confirmed via extensive numerical simulations. We also show that our proposed scheme is readily applicable to practical IRS-aided networks with discrete phase shift values.

研究の動機と目的

• エネルギー制約のある無線ネットワークにおけるスループット制限を解消するため、バックスキャター通信をIRS支援WPCNと統合すること。
• 従来のWPCNにおける長時間のエネルギー回収遅延を克服するため、最小限のエネルギー消費でバックスキャター伝送を可能にする。
• IRSの反射係数、ビームフォーミング、パワー割り当て、時間スケジューリングの共同最適化を通じて、全ネットワークスループットを最大化すること。
• 離散位相シフトIRSハードウェアと互換性のある実用的アルゴリズムの設計により、実世界への適用可能性を確保すること。

提案手法

• 二段階最適化フレームワークを提案：まず、バックスキャター伝送中におけるIRSの反射係数を交互最適化（AO）および逐次近似（SA）で最適化し、次に、半定値緩和（SDR）およびSAを用いてビームフォーミング、パワー割り当て、時間割り当てを最適化する。
• 信号歪みを最小限に抑えてスペクトル効率を向上させるために、アクセスポイントに最小平均二乗誤差（MMSE）受信機を採用する。
• 実際のハーベスタ動作を反映させるために、非線形EHモデルを用いて現実的なエネルギー回収をモデル化する。
• 初期段階では連続位相IRS反射モデルを用い、その後2ビット解像度の離散位相シフトを用いて性能を検証することで、ハードウェア実装可能性を確保する。
• アクティブ伝送におけるIRS反射係数とAP受信ビームフォーミングの共同最適化に、ブロック座標降下（BCD）技術を適用する。
• MMSE受信機フレームワーク下での効率的最適化を可能にするために、SINRおよびMSEの解析的表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSをどのように活用することで、バックスキャター支援無線駆動通信ネットワークのスループットを向上させられるか？
• RQ2 ネットワークスループットを最大化するための、IRSの反射係数、ビームフォーミングベクトル、パワー割り当て、時間スケジューリングの最適な共同設計は何か？
• RQ3 提案手法の性能は、従来のIRS支援WPCNおよびランダム／固定IRS反射方式と比較してどのように異なるか？
• RQ4 離散位相シフトIRSハードウェアが性能に与える影響はどの程度で、提案アルゴリズムはこのようなシステムに効果的に適用可能か？
• RQ5 IRSの配置がシステムスループットに与える影響は何か？最適な性能を得るにはどこに配置すべきか？

主な発見

• 提案されたIRS駆動BS-WPCNは、特に高出力送信条件下で、従来のIRS支援WPCNと比較して顕著に高いスループットを達成する。これは、エネルギー効率の高いバックスキャターモードのおかげである。
• 2ビット位相シフト解像度の手法は、連続位相ケースと非常に近い性能を達成しており、実世界のIRSハードウェアに適した実用性を裏付けている。
• ランダムまたは事前設定されたIRS反射行列は、破壊的信号合成のため、不安定で劣った性能を示す。これは、動的最適化の必要性を強調している。
• スループットは、初期段階でIRSのx座標が増加することでAPとの距離が長くなるため低下するが、ユーザーに近づくにつれて再び向上する。これは、ユーザーまたはAPに近い場所にIRSを配置することが最適であることを示唆する。
• 時間割り当ての最適化は、等時間割り当てと比較して顕著な性能向上をもたらし、システム設計における重要性を確認する。
• 提案アルゴリズムは、スループット、エネルギー効率、ハードウェア制約へのロバストネスといったすべての評価指標で、ほぼ最適な性能を達成している。