[논문 리뷰] Waveform and Beamforming Design for Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Power Transfer: Single-User and Multi-User Solutions

Zhenyuan Feng, Bruno Clerckx외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 46인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 무선 전력 전송(WPT)에 인텔리전트 반사 표면(IRS)을 활용한 통합 웨이브포밍 및 수동 빔포밍 설계를 제안하여 가중합 출력 직류(DC) 전류를 최대화한다. 주파수 선택적 채널 상태 정보(CSI) 기반으로 반복 최적화(AO) 프레임워크와 순차적 볼록 근사(СА)를 사용하여 전송 웨이브포밍과 IRS 위상 이득을 공동으로 최적화함으로써, 정류기 비선형성과 수동 빔포밍을 활용함으로써 상당한 DC 전력 향상을 입증하였다. 이는 단일 및 다중 사용자 환경 모두에서 저해상도 위상 이득을 사용함에도 불구하고 성취된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전송 전력 제약과 위상 이득 제약 조건 하에서 IRS 보조 WPT 시스템의 가중합 출력 직류(DC) 전류를 최대화하기 위해.
• 주파수 선택적 채널 상태 정보(CSI)를 기반으로 전송 웨이브포밍과 IRS 수동 빔포밍을 공동으로 최적화하기 위해.
• 에너지 수확 장치의 비선형성과 IRS 배치 유형(FS-IRS 대비 FF-IRS)이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 이산 위상 IRS를 고려한 실용적 구현을 위한 저복잡도 알고리즘 개발하기 위해.
• 기존의 WPT 및 빔포밍 전용 설계 대비 성능 향상을 입증하기 위해.

제안 방법

• 웨이브포밍과 IRS 위상 이득을 반복적으로 최적화하기 위해 반복 최적화(AO) 프레임워크를 활용한다.
• 비볼록 제약 조건을 처리하고 빠른 수렴을 달성하기 위해 순차적 볼록 근사(СА)를 사용한다.
• 정류기의 전류-전압(I-V) 특성을 반영한 비선형 RF-DC 변환 모델을 사용하여 정류기의 비선형성을 모델링한다.
• AO 및 SCA 기반의 일반화된 다중 사용자 및 저복잡도 단일 사용자 알고리즘을 유도한다.
• 두 가지 IRS 배치 모델을 고려한다: 주파수 선택적 IRS(FS-IRS)와 주파수 평탄한 IRS(FF-IRS).
• 개별 사용자에 대한 주파수 선택적 채널 상태 정보(CSI)를 통합된 설계에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 WPT에서 통합 웨이브포밍 및 수동 빔포밍 설계는 기존의 WPT 대비 DC 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다중 사용자 및 단일 사용자 WPT 시스템에서 FS-IRS와 FF-IRS의 성능 향상은 어떠한가?
• RQ3 정류기의 비선형성은 최적의 웨이브포밍 및 빔포밍 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 IRS의 저해상도 위상 이득이 WPT 시스템에서 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 수동 빔포밍 이득과 주파수 다양성이 출력 DC 전류에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• FS-IRS는 가장 높은 출력 DC 전류를 달성하며, 광대역 WPT 시스템의 기준 상한선으로 기능한다.
• FS-IRS에 비해 성능가 낮지만, FF-IRS는 IRS 없이 기존의 WPT보다도 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 정류기의 비선형성, 수동 빔포밍, 주파수 다양성을 동시에 활용한 통합 설계는 빔포밍 전용 또는 웨이브포밍 전용 설계를 뛰어넘는 DC 전력 향상을 달성한다.
• 저해상도 이산 위상 IRS(예: 1~3비트)는 근사 최적 성능을 달성하여 실용적 구현 가능성을 높인다.
• AO-SCA 프레임워크는 빠른 수렴을 보이며 채널 변동에 대해 강건하다.
• 제안된 방법은 단일 사용자 시나리오에서는 운영 범위를 확장하고, 다중 사용자 시나리오에서는 DC 전류 영역을 넓힌다.