[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface-Aided SWIPT: Joint Waveform, Active and Passive Beamforming Design.

Yang Zhao, Bruno Clerckx외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 10.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 전송 웨이브폼, 액티브 빔포밍(AP에서), IRS 반사 계수를 통한 패assing 빔포밍, 사용자 전력 분할 비율을 공동 최적화하는 스마트 리플렉팅 서피스(IR) 보조 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 시스템을 제안한다. 기하학적 프로그래밍과 순차적 볼록 근사 기법을 활용하여, 실용적인 주파수 평탄한 IRS 반사 제약 조건 하에서도 비율-에너지 트레이드오프를 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• SWIPT 시스템의 제한된 RF 신호 세기를 개선하기 위해 스마트 리플렉팅 서피스(IR)를 도입하여 신호 커버리지와 전력 전송을 향상시킨다.
• 사용자 장치에서의 경로 손실 및 약한 신호 수신으로 인한 기존 SWIPT의 성능 저하 문제를 해결한다.
• 사용자 에너지 수확 장치의 비선형성을 고려하여, 주파수 분할 다중대역 다중안테나 액세스 포인트(AP) 시스템에서의 비율-에너지(R-E) 트레이드오프를 최대화한다.
• 전송 웨이브폼, AP에서의 액티브 빔포밍, IRS 반사 계수를 통한 패assing 빔포밍, 사용자 전력 분할 비율을 동시에 최적화한다.
• 실제 IRS 하드웨어에서 흔히 발생하는 주파수 평탄한 반사 제약 조건을 고려하여 실용적인 구현을 달성한다.

제안 방법

• 합동 최적화 문제를 다루기 위해 교차 최적화(AO) 기법을 사용하여 다루기 쉬운 하位 문제로 분해한다.
• 볼록 최적화 기법을 활용하여 다중안테나 AP에서의 최적 액티브 빔포밍에 대한 폐형 해를 유도한다.
• 주파수 평탄한 제약 조건 하에서 IRS 반사 계수를 반복적으로 최적화하기 위해 순차적 볼록 근사(SCA) 기법을 적용한다.
• 비율-에너지 트레이드오프를 극대화하기 위해 전송 웨이브폼과 사용자 전력 분할 비율을 공동 최적화하기 위해 기하학적 프로그래밍(GP)을 사용한다.
• 사용자 에너지 수확 장치의 비선형성을 모델링하여 현실적인 성능 평가를 보장한다.
• 모든 구성 요소를 통합된 프레임워크로 통합하여 실용적인 IRS 하드웨어 제약 조건 하에서도 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 이득을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 SWIPT에서 전송 웨이브폼, 액티브 빔포밍, 패assing 빔포밍, 전력 분할의 공동 최적화가 R-E 트레이드오프에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 비선형 에너지 수확을 고려할 때, IRS는 경로 손실을 얼마나 보완하고 RF 신호 세력을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 다중대역 전송과 스마트 리플렉팅 서피스를 조합할 경우 SWIPT에서 기대할 수 있는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 실제 IRS 제약 조건—특히 주파수 평탄한 반사—는 시스템의 R-E 영역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 액티브 빔포밍에 대한 폐형 해와 패assing 빔포밍 및 웨이브폼 설계에 대한 반복 최적화 기법이 효과적이고 효율적인 해를 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 공동 설계는 IRS가 없는 기존 SWIPT 시스템에 비해 비율-에너지(R-E) 영역을 크게 확장한다.
• 액티브 빔포밍에 대한 폐형 해가 도출되어 효율적인 계산과 실시간 구현이 가능하다.
• 순차적 볼록 근사(SCA) 기법이 주파수 평탄한 제약 조건 하에서 IRS 반사 계수를 효과적으로 최적화한다.
• 기하학적 프로그래밍(GP)을 통해 전송 웨이브폼과 사용자 전력 분할 비율을 최적 공동 최적화할 수 있다.
• 실제 주파수 평탄한 IRS 반사 제약 조건에도 불구하고, 데이터 전송률과 에너지 수확 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.
• 수치 결과는 제안된 아키텍처가 R-E 트레이드오프 측면에서 벤치마크 기법보다 뛰어나며, SWIPT에서 스마트 리플렉팅 서피스의 효과성을 입증한다.