[논문 리뷰] Toward Autonomous Reconfigurable Intelligent Surfaces Through Wireless Energy Harvesting

Konstantinos Ntontin, Alexandros–Apostolos A. Boulogeorgos외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 18.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 53인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 정보 신호로부터 무선 에너지 수확을 통해 자율 작동이 가능한 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)를 위한 파wr 스플리팅 아키텍처를 제안한다. 일부 RIS 유닛 셀을 에너지 수확에 할당하고 나머지 셀을 비 beamforming에 할당함으로써, 저전력 정책이 채널 이득 순서 기반으로 근사 최적 성능를 달성하고, 수백 밀리와트의 동적 전력 요구 조건에서도 자율 RIS 작동을 가능하게 함을 수치 결과를 통해 입증한다.

ABSTRACT

In this work, we examine the potential of autonomous operation of a reconfigurable intelligent surface (RIS) using wireless energy harvesting from information signals. To this end, we first identify the main RIS power-consuming components and introduce a suitable power-consumption model. Subsequently, we introduce a novel RIS power-splitting architecture that enables simultaneous energy harvesting and beamsteering. Specifically, a subset of the RIS unit cells (UCs) is used for beamsteering while the remaining ones absorb energy. For the subset allocation, we propose policies obtained as solutions to two optimization problems. The first problem aims at maximizing the signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver without violating the RIS's energy harvesting demands. Additionally, the objective of the second problem is to maximize the RIS harvested power, while ensuring an acceptable SNR at the receiver. We prove that under particular propagation conditions, some of the proposed policies deliver the optimal solution of the two problems. Furthermore, we report numerical results that reveal the efficiency of the policies with respect to the optimal and very high-complexity brute-force design approach. Finally, through a case study of user tracking, we showcase that the RIS power-consumption demands can be secured by harvesting energy from information signals.

연구 동기 및 목표

• 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)이 외부 전원 공급 장치 없이 정보 신호로부터 에너지를 수확하여 자율적으로 작동할 수 있는지 조사한다.
• 특히 동적 재구성 및 제어 회로부와 같은 주요 전력 소모 성분을 식별하고 모델링하여 에너지 수확의 실현 가능성을 평가한다.
• 일부 RIS 유닛 셀이 에너지 수확을 담당하고 나머지 셀이 비 beamforming을 수행함으로써 동시에 작동할 수 있는 새로운 파워 스플리팅 아키텍처를 설계한다.
• 두 가지 최적화 문제를 설정한다: (1) RIS 에너지 제약 조건 하에서 종단 간 신호 대 잡음비(SNR)를 최대화하고, (2) 최소 SNR 요구 조건 하에서 수확된 전력을 최대화한다.
• 브루트 포스 및 최적 해와의 비교를 통해 저복잡도 할당 정책의 성능을 평가하고, 사용자 추적 사례 연구를 통해 실현 가능성을 검증한다.

제안 방법

• 일부 RIS 유닛 셀을 에너지 수확에 할당하고 나머지 셀을 비 beamforming에 할당함으로써 동시에 작동할 수 있는 파워 스플리팅 아키텍처를 제안한다.
• 동적 재구성 및 제어 회로부 기반으로 RIS 전력 소모를 모델링하며, 평균 전력 소모는 1 µs 재구성 시간 기준 약 2 µW로 추정된다.
• 두 가지 최적화 문제를 도입한다: (1) RIS 에너지 수확 제약 조건 하에서 SNR을 최대화하고, (2) 최소 SNR 제약 조건 하에서 수확된 전력을 최대화한다.
• RIS-사용자(RIS-RX) 링크의 채널 이득 순서 기반 저복잡도 할당 정책을 개발하였으며, RIS 송신기(RIS-TX) 링크에서 동일 이득 조건 하에서 최적임을 증명하였다.
• 완전한 CSI와 밀대역 전송을 가정하며, 단일 안테나 송신기와 단일 위상 이동만 가능한 비 beamforming을 갖는 하이브리드 비 beamforming 모델을 사용한다.
• 수치 결과를 통해 제안된 정책이 브루트 포스 및 최적 해와 비교하여 성능을 검증하였으며, 사용자 이동성 추적 시나리오에서 실현 가능성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS가 정보 신호로부터 에너지를 수확하여 외부 전원 공급 장치 없이 자율적으로 작동할 수 있는가?
• RQ2 특히 동적 재구성 및 제어 회로부의 RIS 전력 소모는 무선 에너지 수확의 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 동일한 RIS에서 에너지 수확과 비 beamforming을 동시에 가능하게 하기 위해 파워 스플리팅 아키텍처를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 실제 제약 조건 하에서 에너지 수확 및 비 beamforming을 위한 RIS 유닛 셀의 최적 할당을 근사할 수 있는 저복잡도 정책은 무엇인가?
• RQ5 실제로 변화하는 전력 소모 요구 조건(예: 수백 밀리와트) 하에서도 자율 RIS 작동은 가능한가?

주요 결과

• 제안된 파워 스플리팅 아키텍처는 일부 RIS 유닛 셀이 각각 에너지 수확과 비 beamforming을 담당함으로써 동시에 작동할 수 있도록 한다.
• 수치 결과에 따르면, RIS-RX 채널 이득 순서 기반 정책이 브루트 포스 최적 해와 근사한 성능를 달성하며, 복잡도가 극히 낮다.
• RIS-TX 링크에서 동일 이득 조건 하에서는 RIS-RX 채널 이득 순서 기반 정책이 두 최적화 문제 모두에 대해 최적 해를 달성한다.
• 재구성 시간이 짧을 경우(예: 1 µs), 심지어 수백 밀리와트의 동적 전력 소모 조건에서도 평균 전력 소모가 2 µW 이하로 유지되어 자율 RIS 작동이 가능하다.
• 사용자 추적 사례 연구는 RIS 전력 수요가 정보 신호로부터의 에너지 수확을 통해 충족될 수 있음을 확인하였으며, 자율 배치의 실현 가능성을 뒷받침한다.
• 초저전력 제어 칩(예: <1 mW)이 RIS 재구성 및 무선 명령 수신을 지원할 수 있음을 입증하여 실용적인 자율 작동을 가능하게 한다.