[논문 리뷰] Weighted Sum Power Maximization for Intelligent Reflecting Surface Aided SWIPT

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 접근점(AP)의 전송 프리코딩과 인텔리전트 반사면(IRS)의 수동 위상 시프트를 공동 최적화하여 에너지 수확 수신기(EHR)의 가중치 합출력을 최대화하기 위해 지능형 반사면(IRS)을 활용한 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 시스템을 제안한다. 핵심 결과는 전용 에너지 신호가 필요하지 않다는 것이다—정보 신호만으로도 임의의 사용자 채널 조건에서도 정보 복원과 에너지 수확을 동시에 수행할 수 있으며, 이는 IRS의 수동 빔포밍 이득 덕분이다.

ABSTRACT

The low efficiency of far-field wireless power transfer (WPT) limits the fundamental rate-energy (R-E) performance trade-off of the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system. To address this challenge, we propose in this letter a new SWIPT system aided by the emerging intelligent reflecting surface (IRS) technology. By leveraging massive low-cost passive elements that are able to reflect the signals with adjustable phase shifts, IRS achieve a high passive beamforming gain, which is appealing for drastically enhancing the WPT efficiency and thereby the R-E trade-off of SWIPT systems. We consider an IRS being deployed to assist a multi-antenna access point (AP) to serve multiple information decoding receivers (IDRs) and energy harvesting receivers (EHRs). We aim to maximize the weighted sum-power received by EHRs via jointly optimizing the transmit precoders at the AP and reflect phase shifts at the IRS, subject to the individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints for IDRs. Since this problem is non-convex, we propose efficient algorithms to obtain suboptimal solutions for it. In particular, we prove that it is sufficient to send information signals only at the AP to serve both IDRs and EHRs regardless of their channel realizations. Moreover, simulation results show significant performance gains achieved by our proposed designs over benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 저손실 무선 전력 전송(WPT) 효율로 인해 기존 SWIPT 시스템에서 기본적인 비율-에너지(R-E) 트레이드오프 제약를 해결하기 위해.
• 수동 빔포밍 이득을 통해 WPT 효율을 향상시키기 위해 인텔리전트 반사면(IRS)의 잠재력을 탐색하기 위해.
• AP의 전송 프리코더와 IRS의 반사 위상 시프트를 공동 최적화하여 EHR에서의 가중치 합출력을 극대화하기 위해.
• IRS 보조 SWIPT 시스템에서 전용 에너지 신호가 필요한지 여부를 규명하기 위해.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 효율적인 준최적 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• 정보 복원 수신기(IDR)의 개별 SINR 제약 조건 하에 EHR에서의 가중치 합출력을 극대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• WPT 효율을 향상시키기 위해 AP에서의 능동적 전송 프리코딩과 IRS에서의 수동 위상 시프트를 공동 설계한다.
• 전용 에너지 신호가 필요하지 않음을 증명한다—정보 신호만으로도 정보 복원과 에너지 수확을 동시에 지원할 수 있다.
• 비볼록 문제를 다루기 위해 정규화된 준정방형 프로그래밍(SDR) 접근법을 도입하고, 에너지 빔포밍 없이 최적 해를 확보할 수 있는 조건을 유도한다.
• 라그랑주 이중성과 랭크-1 분해를 활용하여 원래 문제의 최적 목표값을 일치시키는 타당한 해를 구성한다.
• 수렴 보장 및 성능을 확보한 채로 이완된 문제를 해결하기 위한 효율적인 준최적 알고리즘을 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전용 에너지 신호 없이도 IRS 보조 SWIPT 시스템에서 높은 에너지 수확 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ2 IRS는 기존 설정과 비교해 SWIPT 시스템의 비율-에너지(R-E) 트레이드오프를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 EHR에서의 가중치 합출력을 극대화하기 위해 전송 프리코더와 IRS 위상 시프트의 최적 구성은 무엇인가?
• RQ4 어떤 채널 조건에서 정보 신호만으로도 IRS 보조 SWIPT 시스템에서 정보 복원과 에너지 수확을 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ5 IRS의 설치 위치(예: AP와의 라인오브사이트)가 시스템의 R-E 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 IRS 보조 SWIPT 시스템은 벤치마크 기법 대비 R-E 트레이드오프에서 뚜렷한 성능 향상을 보이며, EHR에서의 수확된 에너지가 상당히 증가한다.
• 사용자 채널이 임의의 상관관계를 가질 경우조차도 전용 에너지 신호가 필요하지 않으며, 이는 이전 결과를 더 넓은 채널 모델 클래스로 확장한다.
• 최적 해는 에너지 공분산 행렬을 0으로 설정함으로써 달성될 수 있으며, 이는 모든 에너지가 정보 신호에서만 수확됨을 의미한다.
• 시뮬레이션 결과는 AP와의 강한 라인오브사이트(LoS) 링크에 IRS를 배치할 경우 수확된 에너지와 전체 시스템의 R-E 성능이 크게 향상됨을 확인한다.
• 제안된 알고리즘은 효율적으로 수렴하며 낮은 계산 복잡도로 근사 최적 성능를 달성한다.
• 이론적 증명을 통해 원래 문제의 최적 해가 에너지 빔포밍 없이도 이완된 문제를 푸는 것과 동일함을 보여주며 설계를 단순화한다.