[논문 리뷰] Backscatter-Assisted Wireless Powered Communication Networks Empowered by Intelligent Reflecting Surface

Parisa Ramezani, Abbas Jamalipour|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 26.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 33인용 수 43

한 줄 요약

이 논문은 백스캐터 전송 동안 에너지 효율적인 백스캐터 모드를 통해 전반적인 네트워크 용량을 극대화하기 위해 지능형 반사 표면(IIRS)을 활용한 백스캐터 기반 무선 전력 공급 통신망(BS-WPCN)을 제안한다. 반사 계수, 송신/수신 beamforming, 전력 및 시간 할당을 공동으로 최적화함으로써 성능을 향상시킨다. 실용적인 에너지 수확 모델과 교대 최적화 및 순차적 볼록 근사 기법을 활용한 이중 단계 알고리즘을 통해 기존의 WPCN 및 IRS 보조 기반 기준 대비 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 달성하며, 특히 실용적인 이산 단계 반사각 제약 조건 하에서도 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에너지 제약이 있는 무선 네트워크의 용량 한계를 해결하기 위해 백스캐터 통신을 IRS 보조 WPCN과 융합함으로써 성능 향상을 도모한다.
• 기존 WPCN에서의 장시간 에너지 수확 지연 문제를 해결하기 위해 최소한의 에너지 소비로 백스캐터 전송을 가능하게 함으로써 에너지 효율성을 향상시킨다.
• IRS 반사 계수, beamforming, 전력 할당 및 시간 스케줄링의 공동 최적화를 통해 전체 네트워크 용량을 극대화한다.
• 이산 단계 반사각을 갖는 실제 하드웨어와 호환 가능한 실용적인 알고리즘 설계를 통해 실제 적용 가능성 확보.

제안 방법

• 이중 최적화 프레임워크 제안: 첫 번째 단계에서는 교대 최적화(AO) 및 순차적 볼록 근사(SA) 기법을 사용해 백스캐터 전송 중 IRS 반사 계수를 최적화하고, 두 번째 단계에서는 정수기반 반전(정수기반 반전) 및 SA 기법을 활용해 beamforming, 전력 할당 및 시간 할당을 최적화한다.
• 신호 왜곡을 최소화하고 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 액세스 포인트(AP)에 최소 평균 제곱 오차(MMSE) 수신기를 적용한다.
• 실제 수확기 동작을 반영하기 위해 비선형 EH 모델을 사용해 실용적인 에너지 수확을 모델링한다.
• 초기에는 연속 단계 반사 모델을 사용하고, 이후 2비트 해상도의 이산 단계 반사각을 적용해 하드웨어 구현 가능성에 대한 성능을 검증한다.
• 활동적 전송 중 IRS 반사 계수와 AP 수신 beamforming을 동시에 최적화하기 위해 블록 좌표 강하(BCD) 기법을 적용한다.
• MMSE 수신기 프레임워크 하에서 효율적인 최적화를 가능하게 하기 위해 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 및 오차 제곱 평균(MSE)에 대한 해석적 표현을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS는 백스캐터 기반 무선 전력 공급 통신망의 용량을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 네트워크 용량을 극대화하기 위해 IRS 반사 계수, beamforming 벡터, 전력 할당 및 시간 스케줄링의 최적 공동 설계는 어떻게 이루어져야 하는가?
• RQ3 제안된 방식의 성능은 기존의 IRS 보조 WPCN 및 무작위/고정 IRS 반사 방식과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 이산 단계 반사각을 갖는 IRS 하드웨어가 성능에 미치는 영향은 어느 정도이며, 제안된 알고리즘이 이러한 시스템에 효과적으로 적용 가능한가?
• RQ5 IRS의 위치는 시스템 용량에 어떤 영향을 미치며, 최적의 성능을 얻기 위해 어디에 설치되어야 하는가?

주요 결과

• 제안된 IRS 기반 BS-WPCN는 특히 고출력 전송 조건에서 기존의 IRS 보조 WPCN 대비 뚜렷한 용량 향상을 보이며, 에너지 효율적인 백스캐터 모드 덕분이다.
• 2비트 해상도의 단계 반사각을 갖는 시스템은 연속 단계 모델과 거의 동일한 성능를 기록하여, 제안된 알고리즘이 실제 IRS 하드웨어에 실용적으로 적용 가능함을 입증한다.
• 무작위 또는 사전 설정된 IRS 반사 행렬은 간섭의 파괴적 조합로 인해 불안정하고 열 劣한 성능를 보이며, 이는 동적 최적화의 필요성을 강조한다.
• 초기에는 IRS의 x좌표가 증가함에 따라 AP와의 거리가 길어져 용량이 감소하지만, IRS가 사용자에 가까워지면서 다시 증가함을 확인하여, 사용자 또는 AP 근처에 최적의 배치가 필요함을 시사한다.
• 시간 할당 최적화는 균일한 시간 할당 대비 뚜렷한 성능 향상을 가져오며, 이는 시스템 설계에서의 중요성을 확인한다.
• 제안된 알고리즘은 용량, 에너지 효율성, 하드웨어 제약에 대한 강건성 등 평가된 모든 지표에서 근사 최적 성능를 달성한다.