[论文解读] Energy Efficiency Maximization of Simultaneous Transmission and Reflection RIS Assisted Full-Duplex Communications

Pengxin Guan, Yiru Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于同时传输与反射再配置智能表面（STAR-RIS）辅助全双工（FD）通信系统的能量效率（EE）最大化框架。通过联合优化基站与上行链路用户发射功率以及STAR-RIS无源波束成形，采用交替优化、Dinkelbach方法和连续凸逼近技术，该方案在高RIS单元数量及有效自干扰消除条件下，相较于基准方案展现出更优的EE性能。

ABSTRACT

This work studies the effectiveness of a novel simultaneous transmission and reflection reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) aided Full-Duplex (FD) communication system. We aim to maximize the energy efficiency by jointly optimizing the transmit power and passive beamforming at the STAR-RIS. We propose an efficient algorithm to optimize them iteratively under the alternating optimization framework. The successive convex approximation (SCA) and Dinkelbach's method are used to solve the power optimization subproblem. The penalty-based method is used to design passive beamforming at the STAR-RIS. Numerical results verify the convergence and effectiveness of the proposed algorithm, and further reveal the benifits of the combining of the STAR-RIS and FD communication compared to benchmarks.

研究动机与目标

• 填补STAR-RIS辅助全双工系统中能量效率研究的空白。
• 克服全双工通信中STAR-RIS联合功率与波束成形优化问题的非凸性。
• 在满足上行链路与下行链路用户最低速率约束的前提下，最大化系统能量效率。
• 设计一种低复杂度、收敛的算法，结合Dinkelbach方法与连续凸逼近，适用于实际部署。
• 展示结合STAR-RIS与全双工技术在提升频谱效率与能量效率方面的优越性。

提出的方法

• 将非凸的EE最大化问题分解为两个子问题：发射功率优化与无源波束成形设计。
• 应用交替优化（AO）框架，迭代求解这两个子问题。
• 采用Dinkelbach方法，通过将分数规划问题转化为一系列参数化子问题，求解功率优化子问题。
• 结合罚函数法与连续凸逼近（SCA）处理非凸波束成形约束，收敛至一个驻点。
• 通过约束 βₘᵗ + βₘʳ = 1 对所有 m，确保每个STAR-RIS单元的能量守恒。
• 通过迭代优化过程中EE的单调递增性及系统资源的有界性，确保收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的半双工或仅RIS系统相比，STAR-RIS与全双工通信的融合如何提升系统能量效率？
• RQ2 在STAR-RIS辅助的全双工系统中，如何实现发射功率与无源波束成形的最优联合设计以最大化EE？
• RQ3 STAR-RIS单元中的残留自干扰与电路功耗对可实现能量效率有何影响？
• RQ4 在所提出的优化框架下，增加RIS单元数量在多大程度上可提升系统EE？
• RQ5 与HD、传统RIS及和速率最大化等基准方案相比，所提出的算法在性能与收敛性方面表现如何？

主要发现

• 所提出的STAR-RIS辅助全双工系统（SR-FD-EEM）在所有测试场景中均实现了最高的能量效率，优于HD与基于传统RIS的全双工方案。
• 随着STAR-RIS单元数量的增加，能量效率随之提升，这是由于频谱效率提高而功率增加有限，SR-FD-EEM表现出最陡峭的增长趋势。
• 残留自干扰会降低全双工系统的EE，但所提方案因具备有效的自干扰消除能力，仍能保持高EE；而HD方案不受自干扰影响。
• 和速率最大化方案（SR-FD-SRM）的EE随上行链路功率增加初期上升，但随后因能耗过高而下降；而EE最大化方案则单调上升至最优点。
• STAR-RIS单元的单位电路功耗（Pₛ）越高，系统EE越低，但SR-FD-EEM在高Pₛ值下仍显著优于基准方案。
• 所提出的基于AO的算法收敛稳定，计算复杂度为 O(L(2Lₚ + 2LₒLᵢM³·⁵))，确保了大规模部署的实际可行性。