[論文レビュー] Self-Sustainable Reconfigurable Intelligent Surface Aided Simultaneous Terahertz Information and Power Transfer (STIPT)

Yijin Pan, Kezhi Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、情報利用者の合計データレートを最大化すると同時に、エネルギー利用者およびRIS自体のエネルギー効率要件を満たす、自己持続的であることを目指した再構成可能インテリジェント表面（RIS）支援型同時テラヘルツ情報・電力伝送（STIPT）システムを提案する。ブロック座標降下（BCD）アルゴリズムとペナルティ制約付き凸近似（PCCA）を用いて、送信プリコーディング、RISの反射係数、RISの位置を共同最適化することで、特にRIS素子数が多くなった場合やエネルギー要求が高くなると、ベースラインと比較して顕著な合計レート向上を達成した。

ABSTRACT

This paper proposes a new simultaneous terahertz (THz) information and power transfer (STIPT) system, which is assisted by reconfigurable intelligent surface (RIS) for both the information data and power transmission. We aim to maximize the information users' (IUs') data rate while guaranteeing the energy users' (EUs') and RIS's power harvesting requirements. To solve the formulated non-convex problem, the block coordinate descent (BCD) based algorithm is adopted to alternately optimize the transmit precoding of IUs, RIS's reflecting coefficients, and RIS's coordinate. The Penalty Constrained Convex Approximation (PCCA) Algorithm is proposed to solve the intractable optimization problem of the RIS's coordinate, where the solution's feasibility is guaranteed by the introduced penalties. Simulation results confirm that the proposed BCD algorithm can significantly enhance the performance of STIPT by employing RIS.

研究の動機と目的

• テラヘルツ帯域における同時的高レート情報伝送と無線電力伝送を可能にすることで、THz対応IoTデバイスのバッテリー寿命の制限という課題に対処すること。
• RISを活用してチャネルを強化・ビームフォーミングすることで、THz通信における高い経路損失および遮蔽問題を克服すること。
• 情報伝送に用いられる信号から同じ信号を介してエネルギーを回収できるようにすることで、RISが自己持続的に動作することを保証すること。
• 送信プリコーディング、RISの反射係数、RISの位置を同時に最適化し、情報利用者およびRISの両方のエネルギー回収制約のもとで、情報の合計レートを最大化すること。

提案手法

• 情報利用者（IUs）の合計レートを最大化する非凸最適化問題を定式化し、エネルギー利用者（EUs）およびRISのサービス品質（QoS）制約を満たす。
• ブロック座標降下（BCD）アルゴリズムを用いて、基地局の送信プリコーディング、RISの反射係数、RISの位置座標という3つの変数を交互に最適化する。
• 非凸かつ取り扱いにくいRIS座標の最適化を処理するため、ペナルティ制約付き凸近似（PCCA）アルゴリズムを導入し、ペナルティ項を用いて妥当性を保証する。
• 凸近似技術を用いて逐次的に部分問題を解き、局所最適解への収束を可能にする。
• RISが情報反射に用いられる信号から同じ信号を介してエネルギーを回収できるようにするため、電力分割モデルを採用する。
• RIS、IU、EUの位置が100回のランダム実現を持つモンテカルロシミュレーションによりアルゴリズムを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ信号を反射する過程でエネルギーを回収できるようにすることで、同時テラヘルツ情報・電力伝送（STIPT）システムにおける再構成可能インテリジェント表面（RIS）を自己持続的に可能とすることができるか？
• RQ2 送信プリコーディング、RISの反射係数、RISの位置を共同最適化することで、THz STIPTシステムにおける情報利用者の合計レートはどのように向上するか？
• RQ3 THz STIPT環境において、RISの座標を最適化することで、固定位置またはビームフォーミングのみの手法と比較して、どの程度の性能向上が達成できるか？
• RQ4 EUsおよびRISのエネルギー回収要件が増加する状況でも、システムは高い合計レート性能を維持できるか？
• RQ5 RISの反射素子数が、共同最適化下でのシステムの合計レート性能にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 提案されたBCDアルゴリズムは、ベースライン手法を著しく上回り、RIS反射素子数の増加に伴い、合計レートが向上する。
• RIS素子数が増加するにつれ、提案されたBCDアルゴリズムと「FixedLoc」手法との間の性能差が拡大し、動的RIS最適化の利点が顕著に示された。
• RIS座標を最適化しない「BeamOpt」手法では、RIS素子数の増加に伴い合計レートの向上が見られず、座標最適化の重要性が強調された。
• エネルギー利用者（EUs）の数が増加するにつれ、すべての手法で合計レートが低下するが、提案されたBCDアルゴリズムは、ベースラインと比較して安定的かつ大きな性能差を維持した。
• EUsおよびRISのエネルギー回収要件が高くなると合計レートが低下するが、提案アルゴリズムは特に厳しい制約下でも優れた性能を維持した。
• RISのエネルギー回収要件が合計レートに与える影響は、EUsの要件に比べてわずかに小さいため、RISの自己持続性は中程度のエネルギー要求下ではより実現可能であると考えられる。