[論文レビュー] Waveform and Beamforming Design for Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Power Transfer: Single-User and Multi-User Solutions

Zhenyuan Feng, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 46被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、重み付き合計出力DC電流を最大化するために、知能反射表面（IRS）支援型無線電力伝送（WPT）における波形と受動ビームフォーミングの共同設計を提案する。周波数選択的CSIに基づき、逐次凸近似（SCA）を用いた交互最適化（AO）フレームワークを採用することで、送信波形とIRS位相シフトを共同最適化する。非線形性と受動ビームフォーミングの活用により、特に低分解能位相シフトを用いる単一・複数ユーザー環境でも顕著なDC電力向上が実証された。

ABSTRACT

In this paper, we study the waveform and passive beamforming design for intelligent reflecting surface (IRS)-aided wireless power transfer (WPT). Generalized multi-user and low complexity single-user algorithms are derived based on alternating optimization (AO) framework to maximize the weighted sum output DC current, subject to transmit power constraints and passive beamforming phases unit modulus constraints. The input signal waveform and IRS passive beamforming phase shifts are jointly designed as a function of users' individual frequency-selective channel state information (CSI). The energy harvester nonlinearity is explored and two IRS deployment schemes, namely frequency selective IRS (FS-IRS) and frequency flat IRS (FF-IRS), are modeled and analyzed. This paper highlights the fact that IRS can provide an extra passive beamforming gain on output DC power over conventional WPT designs and significantly influence the waveform design by leveraging the benefit of passive beamforming, frequency diversity and energy harvester nonlinearity. Even though FF-IRS exhibits lower output DC current than FS-IRS, it still achieves substantially increased DC power over conventional WPT designs. Performance evaluations confirm the significant benefits of a joint waveform and passive beamforming design accounting for the energy harvester nonlinearity to boost the performance of single-user and multi-user WPT system.

研究の動機と目的

• 送信電力制約および位相シフト制約の下で、IRS支援型WPTシステムにおける重み付き合計出力DC電流を最大化すること。
• 周波数選択的CSIを用いて、送信波形とIRS受動ビームフォーミングを共同最適化すること。
• エネルギー回収素子の非線形性およびIRS設置形態（FS-IRS対FF-IRS）がシステム性能に与える影響を分析すること。
• 離散位相IRSを想定した実用的実装を想定した低複雑度アルゴリズムの開発。
• 従来のWPTおよびビームフォーミングのみの設計と比較しての性能向上を示すこと。

提案手法

• 波形とIRS位相シフトを交互に最適化するための交互最適化（AO）フレームワークを採用する。
• 非凸制約を扱い、高速収束を実現するため、逐次凸近似（SCA）を用いる。
• 整流器のI-V特性を組み込んだ非線形RF-DC変換モデルを用いて、整流器の非線形性をモデル化する。
• AOとSCAに基づき、一般化された複数ユーザーおよび低複雑度単一ユーザーのアルゴリズムを導出する。
• 2種類のIRS設置モデル（周波数選択的IRS（FS-IRS）および周波数平坦IRS（FF-IRS））を検討する。
• 個々のユーザーの周波数選択的チャネル状態情報（CSI）を共同設計に統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援型WPTにおいて、波形と受動ビームフォーミングの共同設計は、従来のWPTと比較してDC電力をどのように向上させるか？
• RQ2 複数ユーザーおよび単一ユーザーのWPTシステムにおいて、FS-IRSとFF-IRSの性能差は何か？
• RQ3 整流器の非線形性は、最適な波形およびビームフォーミング設計にどのように影響を与えるか？
• RQ4 IRSにおける低分解能位相シフトが、WPTシステムで近似最適性能を達成できるか？
• RQ5 受動ビームフォーミング利得および周波数ダイバーシティは、出力DC電流にどのような影響を与えるか？

主な発見

• FS-IRSは最高の出力DC電流を達成し、広帯域WPTシステムにおける上限性能としての基準となる。
• FF-IRSはFS-IRSに比べて性能が低いものの、IRSなしの従来のWPTを著しく上回る。
• 整流器非線形性、受動ビームフォーミング、周波数ダイバーシティを共同で活用した設計により、ビームフォーミングのみまたは波形のみの設計では達成できないDC電力向上が可能になる。
• 低分解能離散位相IRS（例：1〜3ビット）でも近似最適性能が達成され、実用的実装が可能になる。
• AO-SCAフレームワークは高速に収束し、チャネル変動に対してもロバストである。
• 提案手法は単一ユーザー環境では動作範囲を拡大し、複数ユーザー環境ではDC電流領域を拡大する。