[논문 리뷰] Self-Sustainable Reconfigurable Intelligent Surface Aided Simultaneous Terahertz Information and Power Transfer (STIPT)

Yijin Pan, Kezhi Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 08.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 정보 사용자들의 합산 데이터 전송률을 극대화하면서 에너지 사용자 및 RIS 자체의 에너지 수확 요구사항을 충족시키는 자가지속 가능한 재구성가능한 지능형 표면(RIS) 기반 동시 테라헤르츠 정보 및 전력 전송(STIPT) 시스템을 제안한다. 블록 좌표 강하(BCD) 알고리즘과 보상 제약 볼록 근사(PCCA)를 활용하여 전송 예비처리, RIS 반사 계수, RIS 위치를 공동 최적화함으로써, 특히 RIS 요소 수가 많아지고 에너지 수요가 증가할수록 기준 대비 뚜렷한 합산 전송률 향상을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 테라헤르츠 대역에서 고속 정보 전송과 무선 전력 전송을 동시에 가능하게 하여 테라헤르츠 기반 IoT 기기의 배터리 수명이 짧은 문제를 해결하기 위해.
• RIS를 활용하여 채널 향상과 빔포밍을 통해 테라헤르츠 통신에서의 높은 경로 손실과 차단 문제를 해결하기 위해.
• 정보 전송에 사용되는 동일한 신호로부터 에너지를 수확할 수 있도록 함으로써 RIS가 자가지속적으로 작동하도록 보장하기 위해.
• 정보 사용자들의 합산 전송률을 극대화하기 위해 전송 예비처리, RIS 반사 계수, RIS 위치를 공동 최적화하여 에너지 수확 제약 조건을 만족시키기 위해.

제안 방법

• 정보 사용자(IU)의 합산 전송률을 극대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립하며, 에너지 사용자(EU) 및 RIS의 품질보증(QoS) 요구사항을 충족시키는 조건을 포함한다.
• 기지국의 전송 예비처리, RIS 반사 계수, RIS 위치 좌표를 번갈아 최적화하기 위해 블록 좌표 강하(BCD) 알고리즘을 적용한다.
• RIS 좌표의 비볼록성과 해법의 어려움을 다루기 위해 보상 제약 볼록 근사(PCCA) 알고리즘을 도입하여 보상 항을 통해 타당성을 확보한다.
• 볼록 근사 기법을 사용해 반복적으로 하위 문제를 해결함으로써 국소 최적 해에 수렴하도록 한다.
• RIS가 동일한 신호에서 에너지를 수확할 수 있도록 전력 분할 모델을 구현한다.
• RIS, IU, EU 위치의 100개의 랜덤 실현을 포함한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 알고리즘의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 신호를 반사하는 데 사용되는 신호로부터 에너지를 수확할 수 있도록 함으로써, 동시 테라헤르츠 정보 및 전력 전송(STIPT) 시스템에서 RIS를 자가지속적으로 만들 수 있는가?
• RQ2 전송 예비처리, RIS 반사 계수, RIS 위치를 공동 최적화하면 테라헤르츠 STIPT 시스템에서 정보 사용자들의 합산 전송률이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 고정 또는 빔포밍 전용 기법 대비 RIS 좌표 최적화를 통해 테라헤르츠 STIPT 환경에서 어떤 성능 향상이 달성되는가?
• RQ4 에너지 수확 요구사항이 증가함에 따라 EUs 및 RIS의 전력 수확 요구사항이 증가할 경우 시스템은 어떻게 높은 합산 전송률 성능 유지를 하는가?
• RQ5 RIS 반사 요소의 수가 공동 최적화 하에서 시스템의 합산 전송률 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 BCD 알고리즘이 벤치마크 기법보다 뚜렷이 뛰어나며, RIS 반사 요소 수가 증가할수록 합산 전송률이 증가하는 경향을 보인다.
• RIS 요소 수가 증가할수록 제안된 BCD 알고리즘과 'FixedLoc' 기법 간의 성능 격차가 커지며, 동적 RIS 최적화의 유용성을 입증한다.
• 'BeamOpt' 기법은 RIS 좌표 최적화를 수행하지 않아 RIS 요소 수가 증가함에 따라 합산 전송률 향상이 없음을 보이며, 좌표 최적화의 중요성을 강조한다.
• 에너지 사용자(EU) 수가 증가함에 따라 모든 기법에서 합산 전송률이 감소하지만, 제안된 BCD 알고리즘은 기준 대비 안정적이고 더 큰 성능 격차를 유지한다.
• EUs 및 RIS의 전력 수확 요구사항이 증가할수록 합산 전송률이 저하되지만, 제안된 알고리즘이 특히 엄격한 제약 조건 하에서도 더 나은 성능을 유지한다.
• RIS의 전력 수확 요구사항이 EU 요구사항보다 합산 전송률에 미치는 영향이 略적으로 덜 뚜렷함을 확인하여, RIS의 자가지속성은 중간 수준의 전력 요구 조건 하에서 더 실현 가능함을 시사한다.