[论文解读] Weighted Sum Power Maximization for Intelligent Reflecting Surface Aided SWIPT

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 13

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，通过联合优化多天线接入点（AP）的预编码和IRS的被动相位偏移，以最大化能量收集接收机（EHRs）的加权和能量。关键结果表明，无需专用能量信号——仅靠信息信号即可同时支持信息解码与能量收集，即使在任意用户信道条件下亦成立，原因在于IRS的被动波束成形增益。

ABSTRACT

The low efficiency of far-field wireless power transfer (WPT) limits the fundamental rate-energy (R-E) performance trade-off of the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system. To address this challenge, we propose in this letter a new SWIPT system aided by the emerging intelligent reflecting surface (IRS) technology. By leveraging massive low-cost passive elements that are able to reflect the signals with adjustable phase shifts, IRS achieve a high passive beamforming gain, which is appealing for drastically enhancing the WPT efficiency and thereby the R-E trade-off of SWIPT systems. We consider an IRS being deployed to assist a multi-antenna access point (AP) to serve multiple information decoding receivers (IDRs) and energy harvesting receivers (EHRs). We aim to maximize the weighted sum-power received by EHRs via jointly optimizing the transmit precoders at the AP and reflect phase shifts at the IRS, subject to the individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints for IDRs. Since this problem is non-convex, we propose efficient algorithms to obtain suboptimal solutions for it. In particular, we prove that it is sufficient to send information signals only at the AP to serve both IDRs and EHRs regardless of their channel realizations. Moreover, simulation results show significant performance gains achieved by our proposed designs over benchmark schemes.

研究动机与目标

• 为解决传统SWIPT系统中由于远场无线能量传输（WPT）效率低下而导致的速率-能量（R-E）权衡限制问题。
• 探索智能反射面（IRS）通过被动波束成形增益提升WPT效率的潜力。
• 联合优化AP处的发射预编码器与IRS处的反射相位偏移，以最大化EHR的加权和能量。
• 确定在任意用户信道条件下，IRS辅助SWIPT系统中是否需要专用能量信号。
• 为非凸优化问题开发高效次优算法。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，以在信息解码接收机（IDRs）的个体SINR约束下，最大化EHR的加权和能量。
• 提出在AP处进行主动发射预编码、在IRS处进行被动相位偏移联合设计，以提升WPT效率。
• 证明无需专用能量信号——仅靠信息信号即可同时支持信息解码与能量收集。
• 引入半定规划松弛（SDR）方法处理非凸问题，并推导出在无需能量波束成形时可获得最优解的条件。
• 利用拉格朗日对偶与秩一分解技术，构造出与原始问题最优目标值匹配的可行解。
• 开发高效次优算法，求解松弛问题并保证收敛性与性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可能在IRS辅助的SWIPT系统中，不发送专用能量信号而实现高能量收集性能？
• RQ2 与传统系统相比，IRS如何提升SWIPT系统中的速率-能量（R-E）权衡？
• RQ3 如何配置发射预编码器与IRS相位偏移，以最大化EHR的加权和能量？
• RQ4 在何种信道条件下，信息信号本身可同时支持信息解码与能量收集？
• RQ5 IRS的部署位置（如与AP之间存在视 Line-of-Sight（LoS））如何影响系统的R-E性能？

主要发现

• 所提出的IRS辅助SWIPT系统在R-E权衡方面相比基准方案取得显著性能增益，EHR的能量收集量大幅提升。
• 即使在用户信道任意相关的情况下，IRS辅助SWIPT系统也无需专用能量信号，将先前结果扩展至更广泛的信道模型类别。
• 最优解可通过将能量协方差矩阵设为零来获得，意味着所有能量均来自信息信号本身。
• 仿真结果证实，将IRS部署在AP的强视 Line-of-Sight（LoS）链路上，可显著提升能量收集性能与整体系统R-E性能。
• 所提算法收敛迅速，计算复杂度低，且实现接近最优的性能。
• 理论证明表明，原始问题的最优解等价于求解一个无需能量波束成形的松弛问题，从而简化了系统设计。