[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface-Aided SWIPT: Joint Waveform, Active and Passive Beamforming Design.

Yang Zhao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、送信波形、アクセスポイント（AP）におけるアクティブビームフォーミング、IRSの反射係数によるパasiveビームフォーミング、およびユーザーの電力分割比を共同最適化するインテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）支援型同時無線情報および電力伝送（SWIPT）システムを提案する。幾何プログラミングと逐次凸近似を活用することで、実用的な周波数平坦なIRS反射制約のもとでも、レート・エネルギーのトレードオフを顕著に向上させる。

ABSTRACT

The performance of Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) is severely restricted by the strength of the received Radio-Frequency (RF) signal. To tackle this problem, we introduce a low-power Intelligent Reflecting Surface (IRS) that compensates the propagation loss and boosts the transmission efficiency by a passive beamforming gain. This paper investigates an efficient IRS-aided SWIPT architecture where a multi-carrier multi-antenna Access Point (AP) transmits information and power simultaneously to a single-antenna user under the assist of an IRS. Considering energy harvester nonlinearity, we aim to maximize the Rate-Energy (R-E) tradeoff through a joint optimization of the transmit waveform and active beamforming at the AP, the reflection coefficients at the IRS, and the power splitting ratio at the user. Stationary solutions are achieved by the Alternating Optimization (AO) technique, where the optimal active beamforming is obtained in closed form, the passive beamforming is optimized by the Successive Convex Approximation (SCA) technique, and the waveform and splitting ratio are optimized by the Geometric Programming (GP) technique. Although practical IRS is limited to Frequency-Flat (FF) reflection, results demonstrate significant benefits of the proposed architecture based on a joint waveform and beamforming design to enlarge the R-E region of IRS-aided SWIPT.

研究の動機と目的

• SWIPTシステムにおけるRF信号の受信電力不足を解消するため、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を導入して信号カバレッジと電力伝送を向上させる。
• 経路損失やユーザー端末における受信信号の弱体化に起因する従来のSWIPTの性能ボトルネックを克服する。
• ユーザーのエネルギー回収器の非線形性を考慮した、多キャリア多アンテナアクセスポイント（AP）システムにおけるIRS支援型SWIPTのレート・エネルギー（R-E）トレードオフを最大化する。
• 送信波形、APにおけるアクティブビームフォーミング、IRSを介したパasiveビームフォーミング、およびユーザーの電力分割比を同時に最適化する。
• 実際のIRSハードウェアに一般的に見られる周波数平坦な反射制約を考慮することで、実装可能性を確保する。

提案手法

• 連続最適化（AO）を用いて、共同最適化問題を扱いやすい部分問題に分解する。
• 凸最適化技術を用いて、多アンテナAPにおける最適アクティブビームフォーミングの閉形式解を導出する。
• 周波数平坦な制約下で、IRSの反射係数を逐次的に最適化するために逐次凸近似（SCA）を適用する。
• 幾何プログラミング（GP）を用いて、送信波形とユーザーの電力分割比を最適に同時に最適化し、最大のレート・エネルギートレードオフを達成する。
• ユーザーのエネルギー回収器の非線形性をモデル化することで、現実的な性能評価を保証する。
• すべての要素を統合した統一フレームワークを構築し、実用的なIRSハードウェア制限のもとでスペクトル効率とエネルギー回収効率を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援型SWIPTにおいて、送信波形、アクティブビームフォーミング、パasiveビームフォーミング、および電力分割比の共同最適化は、レート・エネルギートレードオフにどのように寄与するか？
• RQ2 非線形エネルギー回収を伴うSWIPTシステムにおいて、IRSは経路損失をどれほど補償し、RF信号強度を向上させ得るか？
• RQ3 多キャリア伝送とインテリジェントリフレクティングサーフェスを組み合わせることで、どのような性能向上が達成可能か？
• RQ4 実用的なIRS制約、特に周波数平坦な反射特性が、システムのレート・エネルギー領域にどのように影響を与えるか？
• RQ5 アクティブビームフォーミングの閉形式解と、パasiveビームフォーミングおよび波形設計の反復的最適化手法が、効果的かつ効率的なソリューションを提供できるか？

主な発見

• 提案された共同設計により、IRSを備えない従来のSWIPTシステムと比較して、顕著に拡大されたレート・エネルギー（R-E）領域が達成された。
• アクティブビームフォーミングのための閉形式解が導出され、計算効率とリアルタイム実装が可能となった。
• 逐次凸近似（SCA）は、周波数平坦な制約下でも、IRSの反射係数を効果的に最適化できる。
• 幾何プログラミング（GP）により、送信波形とユーザーの電力分割比の最適な共同最適化が可能となった。
• 周波数平坦なIRS反射という実用的制限が存在しても、データレートおよびエネルギー回収両面で顕著な性能向上が達成された。
• 数値結果により、提案アーキテクチャがR-Eトレードオフの観点でベンチマーク手法を上回ることが確認され、SWIPTにおけるインテリジェントリフレクティングサーフェスの有効性が示された。