[论文解读] Backscatter-Assisted Wireless Powered Communication Networks Empowered by Intelligent Reflecting Surface

Parisa Ramezani, Abbas Jamalipour|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 33被引用 43

一句话总结

本文提出了一种智能反射面（IRS）辅助的背散射启用型无线能量通信网络（BS-WPCN），通过联合优化IRS反射系数、发射/接收波束成形、功率与时间分配，以最大化网络吞吐量。采用实用的能量采集模型和两阶段算法，结合交替优化与连续凸逼近方法，该方案在传统WPCN及IRS辅助基线方案中实现了显著的频谱效率增益，尤其在现实的离散相移约束条件下表现优异。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) has recently been emerged as an effective way for improving the performance of wireless networks by reconfiguring the propagation environment through a large number of passive reflecting elements. This game-changing technology is especially important for stepping into the Internet of Everything (IoE) era, where high performance is demanded with very limited available resources. In this paper, we study a backscatter-assisted wireless powered communication network (BS-WPCN), in which a number of energy-constrained users, powered by a power station (PS), transmit information to an access point (AP) via backscatter and active wireless information transfer, with their communication being aided by an IRS. Using a practical energy harvesting (EH) model which is able to capture the characteristics of realistic energy harvesters, we investigate the maximization of total network throughput. Specifically, IRS reflection coefficients, PS transmit and AP receive beamforming vectors, power and time allocation are designed through a two-stage algorithm, assuming minimum mean square error (MMSE) receiver at the AP. The effectiveness of the proposed algorithm is confirmed via extensive numerical simulations. We also show that our proposed scheme is readily applicable to practical IRS-aided networks with discrete phase shift values.

研究动机与目标

• 为解决能量受限无线网络中的吞吐量限制，通过将背散射通信与IRS辅助WPCN相结合。
• 通过实现低能耗的背散射传输，克服传统WPCN中能量采集延迟过长的问题。
• 通过联合优化IRS反射系数、波束成形、功率分配与时间调度，最大化总网络吞吐量。
• 设计一种与离散相移IRS硬件兼容的实用算法，确保实际应用可行性。

提出的方法

• 提出两阶段优化框架：首先在背散射传输期间使用交替优化（AO）与连续逼近（SA）优化IRS反射系数；随后利用半定松弛（SDR）与SA优化波束成形、功率与时间分配。
• 在接入点（AP）采用最小均方误差（MMSE）接收机以最小化信号失真，提升频谱效率。
• 采用非线性能量采集（EH）模型对真实能量采集行为进行建模。
• 初始采用连续相移IRS反射模型，随后通过2位分辨率的离散相移验证性能，确保硬件可行性。
• 应用块坐标下降（BCD）技术，联合优化IRS反射系数与AP接收波束成形，以实现主动传输。
• 推导SINR与MSE的解析表达式，以在MMSE接收机框架下实现高效优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用IRS提升背散射辅助无线能量通信网络的吞吐量？
• RQ2 如何实现IRS反射系数、波束成形向量、功率分配与时间调度的最优联合设计，以最大化网络吞吐量？
• RQ3 所提方案相较于传统IRS辅助WPCN及随机/恒定IRS反射方案的性能表现如何？
• RQ4 离散相移IRS硬件对性能的影响程度如何？所提算法能否有效应用于此类系统？
• RQ5 IRS位置对系统吞吐量有何影响？最优部署位置应位于何处？

主要发现

• 所提IRS赋能的BS-WPCN相比传统IRS辅助WPCN实现显著更高的吞吐量，尤其在高发射功率下，得益于能量高效的背散射模式。
• 2位相移分辨率方案的性能与连续相移情况高度接近，证明该算法在真实IRS硬件上的实用性。
• 随机或预配置的IRS反射矩阵导致性能不稳定且显著下降，凸显动态优化的必要性。
• 吞吐量随IRS x坐标增加初期下降，因AP距离变远；但随着IRS靠近用户，吞吐量再次提升，表明最优部署位置应在用户或AP附近。
• 优化时间分配相比等时分配带来显著性能增益，证实其在系统设计中的重要性。
• 所提算法在所有评估指标（包括吞吐量、能量效率及硬件约束鲁棒性）上均接近最优性能。