[论文解读] Intelligent Reflecting Surface-Aided SWIPT: Joint Waveform, Active and Passive Beamforming Design.

Yang Zhao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种智能反射面（IRS）辅助的同时无线信息与能量传输（SWIPT）系统，联合优化了发射波形、接入点（AP）的波束成形、通过IRS反射系数实现的被动波束成形以及用户端的能量分割比例。通过利用几何规划（GP）和连续凸逼近（SCA）技术，该方案显著提升了速率-能量权衡性能，即使在实际的频率平坦IRS反射约束条件下亦表现出色。

ABSTRACT

The performance of Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) is severely restricted by the strength of the received Radio-Frequency (RF) signal. To tackle this problem, we introduce a low-power Intelligent Reflecting Surface (IRS) that compensates the propagation loss and boosts the transmission efficiency by a passive beamforming gain. This paper investigates an efficient IRS-aided SWIPT architecture where a multi-carrier multi-antenna Access Point (AP) transmits information and power simultaneously to a single-antenna user under the assist of an IRS. Considering energy harvester nonlinearity, we aim to maximize the Rate-Energy (R-E) tradeoff through a joint optimization of the transmit waveform and active beamforming at the AP, the reflection coefficients at the IRS, and the power splitting ratio at the user. Stationary solutions are achieved by the Alternating Optimization (AO) technique, where the optimal active beamforming is obtained in closed form, the passive beamforming is optimized by the Successive Convex Approximation (SCA) technique, and the waveform and splitting ratio are optimized by the Geometric Programming (GP) technique. Although practical IRS is limited to Frequency-Flat (FF) reflection, results demonstrate significant benefits of the proposed architecture based on a joint waveform and beamforming design to enlarge the R-E region of IRS-aided SWIPT.

研究动机与目标

• 通过引入智能反射面（IRS）以增强信号覆盖和能量传输，解决SWIPT系统中射频信号强度受限的问题。
• 克服传统SWIPT系统因路径损耗和用户设备接收信号弱而导致的性能瓶颈。
• 在考虑用户能量收集器非线性的前提下，最大化多载波多天线接入点（AP）系统中IRS辅助的速率-能量（R-E）权衡。
• 同时优化发射波形、AP处的波束成形、通过IRS反射系数实现的被动波束成形以及用户端的能量分割比例。
• 通过考虑实际IRS硬件典型的频率平坦反射约束，实现系统的实用化部署。

提出的方法

• 采用交替优化（AO）将联合优化问题分解为可处理的子问题。
• 利用凸优化技术推导出多天线AP处最优波束成形的闭式解。
• 应用连续凸逼近（SCA）在频率平坦约束下迭代优化IRS反射系数。
• 使用几何规划（GP）联合优化发射波形与用户能量分割比例，以实现最大速率-能量权衡。
• 建立用户能量收集器非线性的模型，以确保性能评估的现实性。
• 将所有组件整合为统一框架，在实际IRS硬件限制下最大化频谱效率与能量采集增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合优化发射波形、主动波束成形、被动波束成形与能量分割比例，如何提升IRS辅助SWIPT系统中的速率-能量权衡？
• RQ2 在非线性能量采集条件下，IRS在多路径损耗和射频信号强度弱的SWIPT系统中，能在多大程度上补偿路径损耗并增强信号强度？
• RQ3 在SWIPT系统中，将多载波传输与智能反射面结合，可实现哪些性能增益？
• RQ4 实际IRS约束（尤其是频率平坦反射）对系统速率-能量区域有何影响？
• RQ5 针对主动波束成形的闭式解与针对被动波束成形及波形设计的迭代优化技术，能否提供有效且高效的解决方案？

主要发现

• 所提出的联合设计相比传统无IRS的SWIPT系统，显著扩展了速率-能量（R-E）区域。
• 推导出了主动波束成形的闭式解，实现了高效计算与实时部署。
• 连续凸逼近（SCA）在频率平坦约束下有效优化了IRS反射系数。
• 几何规划（GP）实现了发射波形与用户能量分割比例的最优联合优化。
• 尽管存在频率平坦IRS反射的实际限制，系统在数据速率与能量采集方面仍实现了显著性能增益。
• 数值结果证实，所提出的架构在速率-能量权衡方面优于基准方案，验证了智能反射面在SWIPT中的有效性。