[论文解读] Self-Sustainable Reconfigurable Intelligent Surface Aided Simultaneous Terahertz Information and Power Transfer (STIPT)

Yijin Pan, Kezhi Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种自可持续的可重构智能表面（RIS）辅助同时太赫兹信息与能量传输（STIPT）系统，旨在最大化信息用户的数据速率之和，同时确保能量用户和RIS自身满足其能量采集需求。通过使用带罚约束凸逼近（PCCA）的块坐标下降（BCD）算法，系统联合优化了基站的预编码、RIS的反射系数以及RIS的位置，相较于基准方案实现了显著的和速率增益，尤其在RIS元件数量较多且能量需求增加时表现更优。

ABSTRACT

This paper proposes a new simultaneous terahertz (THz) information and power transfer (STIPT) system, which is assisted by reconfigurable intelligent surface (RIS) for both the information data and power transmission. We aim to maximize the information users' (IUs') data rate while guaranteeing the energy users' (EUs') and RIS's power harvesting requirements. To solve the formulated non-convex problem, the block coordinate descent (BCD) based algorithm is adopted to alternately optimize the transmit precoding of IUs, RIS's reflecting coefficients, and RIS's coordinate. The Penalty Constrained Convex Approximation (PCCA) Algorithm is proposed to solve the intractable optimization problem of the RIS's coordinate, where the solution's feasibility is guaranteed by the introduced penalties. Simulation results confirm that the proposed BCD algorithm can significantly enhance the performance of STIPT by employing RIS.

研究动机与目标

• 为解决太赫兹（THz）物联网设备电池寿命有限的挑战，实现在太赫兹频段内同时进行高速率信息传输与无线能量传输。
• 通过利用RIS增强信道并实现波束成形，克服太赫兹通信中的高路径损耗与阻塞问题。
• 通过使RIS从用于信息传输的同一信号中采集能量，确保其以自可持续方式运行。
• 联合优化基站预编码、RIS反射系数与RIS位置，以在能量采集约束下最大化信息用户的和速率。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，以在能量用户（EUs）和RIS的服务质量（QoS）约束下最大化信息用户（IUs）的和速率。
• 采用块坐标下降（BCD）算法，交替优化三个变量：基站的预编码、RIS的反射系数以及RIS的位置坐标。
• 引入一种罚约束凸逼近（PCCA）算法，以处理RIS坐标优化中的非凸与不可解问题，通过罚项确保解的可行性。
• 使用凸逼近技术迭代求解子问题，实现收敛至局部最优解。
• 采用功率分配模型，使RIS从用于信息反射的同一信号中采集能量。
• 通过100次RIS、IU与EU位置的随机实现进行蒙特卡洛仿真验证该算法。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过使RIS从其反射的同一信号中采集能量，实现在同时太赫兹信息与能量传输（STIPT）系统中的自可持续性？
• RQ2 在太赫兹STIPT系统中，联合优化基站预编码、RIS反射系数与RIS位置如何提升信息用户的和速率？
• RQ3 在太赫兹STIPT环境中，与固定位置或仅波束成形的方案相比，优化RIS坐标能带来多大的性能增益？
• RQ4 当能量用户（EUs）和RIS的能量采集需求增加时，系统如何维持高和速率性能？
• RQ5 在联合优化下，RIS反射元件的数量在何种程度上影响系统的和速率性能？

主要发现

• 所提出的BCD算法显著优于基准方案，实现更高的和速率，且随着RIS反射元件数量的增加而持续提升。
• 随着RIS元件数量的增加，所提BCD算法与'FixedLoc'方案之间的性能差距不断扩大，证明了动态RIS优化的优势。
• 'BeamOpt'方案未对RIS坐标进行优化，其和速率在RIS元件数量增加时无改善，凸显了坐标优化的重要性。
• 随着能量用户（EUs）数量的增加，所有方案的和速率均下降，但所提BCD算法在性能差距上保持稳定且更大。
• 随着EUs和RIS的能量采集需求提高，和速率有所下降，但所提算法在严苛约束下仍保持更优性能。
• RIS能量采集需求对和速率的影响略小于EUs需求的影响，表明在中等功率需求下，RIS的自可持续性更具可行性。