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

Zhenyuan Feng, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 46被引用 6

一句话总结

本文提出了一种智能反射面（IRS）辅助无线能量传输（WPT）中的联合波形与无源波束成形设计，旨在最大化加权总输出直流电流。通过采用交替优化（AO）框架结合连续凸逼近（SCA）方法，基于频率选择性信道状态信息（CSI），联合优化了发射波形与IRS相位偏移，展示了显著的直流功率增益——尤其通过利用整流器非线性特性和无源波束成形，即使在单用户和多用户场景下使用低分辨率相位偏移也能实现。

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.

研究动机与目标

• 在发射功率和相位偏移约束下，最大化IRS辅助WPT系统中的加权总输出直流电流。
• 基于频率选择性CSI，联合优化发射波形与IRS无源波束成形。
• 分析能量收集器非线性特性以及IRS部署类型（FS-IRS与FF-IRS）对系统性能的影响。
• 为实际应用中离散相位IRS设计低复杂度算法。
• 展示所提方法相较于传统WPT与仅波束成形设计的性能增益。

提出的方法

• 采用交替优化（AO）框架，迭代优化波形与IRS相位偏移。
• 利用连续凸逼近（SCA）处理非凸约束，实现快速收敛。
• 采用非线性射频-直流转换模型，结合整流器的I-V特性，建模整流器非线性特性。
• 基于AO与SCA推导出广义多用户与低复杂度单用户算法。
• 考虑两种IRS部署模型：频率选择性IRS（FS-IRS）与频率平坦IRS（FF-IRS）。
• 在联合设计中引入各用户个体的频率选择性信道状态信息（CSI）。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统WPT相比，联合波形与无源波束成形设计如何提升IRS辅助WPT中的直流功率？
• RQ2 在单用户与多用户WPT系统中，FS-IRS相较于FF-IRS的性能增益如何？
• RQ3 整流器非线性特性如何影响最优波形与波束成形设计？
• RQ4 IRS中低分辨率相位偏移是否可在WPT系统中实现近似最优性能？
• RQ5 无源波束成形增益与频率分集对输出直流电流有何影响？

主要发现

• FS-IRS实现了最高的输出直流电流，可作为宽带WPT系统的基准上限。
• 尽管性能低于FS-IRS，FF-IRS仍显著优于无IRS的传统WPT方案。
• 通过联合利用整流器非线性、无源波束成形与频率分集，所提联合设计可实现超越仅波束成形或仅波形设计的直流功率增益。
• 低分辨率离散相位IRS（如1–3比特）可实现近似最优性能，支持实际部署。
• AO-SCA框架收敛迅速，且对信道变化具有鲁棒性。
• 所提方法在单用户场景中扩展了系统工作范围，并在多用户场景中扩大了直流电流覆盖区域。