







摘 要:研究了一種透射反射雙功能可重構智能表面(Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable IntelligentSurface,STAR-RIS) 輔助的無線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT) 系統。部署STAR-RIS 以輔助從多天線接入點(Access Point,AP) 到多個單天線信息解碼接收器(Information Decoding Receiver,IDR) 和能量收集接收器(Energy Harvesting Receiver,EHR) 的信息或功率傳輸。目標是通過聯合優化其發射預編碼矩陣及STAR-RIS的反射和透射系數矩陣,在IDR 可實現通信速率和EHRs 的能量收集量約束下,使AP 的發射功率最小化。然而,這個優化問題是非凸的,變量之間有著復雜的耦合。為了解決這一問題,采用交替優化算法解耦耦合的變量,對發射預編碼矩陣及STAR-RIS 的反射和透射系數矩陣可以分別使用半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR) 算法和基于懲罰的算法進行優化。仿真結果表明,STAR-RIS 系統方案可以獲得比傳統的僅反射或僅透射RIS 更好的性能。
關鍵詞:透射反射雙功能;可重構智能表面;無線攜能通信;交替優化
中圖分類號:TN925+. 2 文獻標志碼:A 開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
文章編號:1003-3106(2024)07-1660-08
0 引言
無線攜能通信(Simultaneous Wireless Informationand Power Transfer,SWIPT)系統可確保未來無線供電物聯網(Internet of Things,IoT)中眾多低功耗設備同時傳輸數據和能源[1-2]。然而,由于路徑損耗大,SWIPT 系統的傳輸效率和傳輸范圍在長距離傳輸中并不理想[3]。利用可重構智能表面(Reconfigu-rable Intelligent Surface,RIS)可以減輕長距離通信引起的傳輸損耗問題[4]。作為6G 潛在的關鍵技術之一,RIS 配備了大量低成本的被動元件[5-6]。借助連接在RIS 上的智能控制器,可以調整RIS 上無線信號的傳播[7-9]。為此,文獻[10]提出了一種RIS輔助SWIPT 系統的聯合預編碼方案,以增強無線功率傳輸的效率。與不包含RIS 的SWIPT 系統相比,該方案具有顯著的性能增益。文獻[11]提出了一種交替迭代算法來聯合優化RIS 輔助的SWIPT 多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系統基站端的發射預編碼矩陣和RIS 處的無源波束成形矩陣,以使無線系統的加權和速率最大化,并同時滿足能量信號接收器的能量收集要求。文獻[12]從完美和不完美信道狀態信息(Channel State In-formation,CSI)2 個不同的角度研究了RIS 輔助的SWIPT 系統,將最大化最小速率作為一個非凸約束優化問題進行了研究。這些研究結果表明,RIS 輔助的SWIPT 系統可以進一步提高無線系統的頻譜效率。
然而現有的研究主要集中在考慮僅反射RIS 的情況,僅反射RIS 的基板對于處于其工作頻率的無線信號是不透明的。可調諧元件集成在不透明基底上,防止無線信號穿透RIS,使得沒有能量泄漏到RIS 后面的空間中。因此,發射器和接收器必須位于RIS 的同一側,從而導致僅利用半空間智能無線電環境,嚴重限制了RIS 的靈活性和有效性。為了克服RIS 的限制,文獻[13]提出了透射反射雙功能可重構智能表面(Simultaneously Transmitting andReflecting Reconfigurable Intelligent Surface,STAR-RIS)的新概念。STAR-RIS 的基板必須在其工作頻率下對無線信號透明。此外,為了促進同時透射和反射,STAR-RIS 依賴于更復雜的設計。從表面的任一側入射到STAR-RIS 元件上的無線信號被分成兩部分[14]:一部分(反射信號)被反射到與入射信號相同的空間,即反射空間;另一部分(透射信號)被透射到與入射信號相對的空間,即透射空間。通過操縱STAR-RIS 元件的電流和磁流,可以通過2 個通常獨立的系數(透射系數和反射系數)重新配置透射和反射信號[13]。由于傳統的僅反射RIS 僅實現半空間覆蓋,因此從接入點(Access Point,AP)出現的信號可能需要多跳反射到達目標用戶。通過利用透射和反射,所得到的全空間覆蓋可以減小傳播距離,從而增加接收信號功率。文獻[15]提出了能量分割(Energy Splitting,ES )、模式選擇(ModeSwitching,MS)和時間切換(Time Switching,TS)三種協議,用于在多輸入單輸出網絡中運行STAR-RIS,并考慮了功率最小化設計。文獻[16]研究了STAR-RIS 輔助MIMO 網絡中的聯合預編碼矩陣、透射和反射系數優化,以最大化加權和率。研究結果驗證了STAR-RIS 技術的優越性。與傳統的僅反射的RIS 優化問題相比,STAR-RIS 的主要挑戰總結如下:首先,STAR-RIS 需要優化2 種類型的無源波束成形(透射和反射波束成形),而對于常規的僅反射的RIS,僅須設計反射波束成形。在數學上,傳統的僅反射的RIS 的優化問題是STAR-RIS的優化問題的特殊情況,其中透射功能被關閉并且僅服務反射區用戶。其次,對于所提出的ES 和MS 協議,透射和反射波束成形耦合在一起,這與傳統的僅反射的RIS 相比進一步復雜化資源分配。因此,STAR-RIS 所考慮的問題比傳統的僅反射的RIS 更難解決。
上述工作在STAR-RIS 輔助無線通信和RIS 輔助SWIPT 系統中分別取得了良好的效果,但將STAR-RIS 與SWIPT 結合起來的工作卻很少。如文獻[17]研究了STAR-RIS 輔助的無線供電的IoT 網絡以最大化系統的吞吐量。文獻[18 ]研究了STAR-RIS 輔助SWIPT 系統中的和速率最大化問題。以上研究均基于TS 模式,未考慮到反射和透射系數矩陣的優化設計以及用戶間干擾。此外,在滿足各項通信指標的同時,實現低功率傳輸是未來綠色通信的重要目標,以上研究并未涉及聯合能量收集量約束、信息傳輸速率約束以及STAR-RIS 的2 種耦合的反射和透射系數矩陣約束等條件下的發射功率優化研究。鑒于此,本文研究了一個STAR-RIS 輔助的SWIPT 系統中的功率最小化問題。采用交替優化(Alternating Optimization,AO)算法解耦耦合的變量,對發射預編碼矩陣及STAR-RIS 的反射和透射系數矩陣分別使用半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)算法和基于懲罰的算法進行優化。仿真對比了STAR-RIS 不同協議以及傳統的僅反射或僅透射RIS。結果表明,STAR-RIS 可以獲得比傳統的僅反射或僅透射RIS 更好的性能。
1 系統模型
如圖1 所示,考慮一個窄帶STAR-RIS 輔助的SWIPT 系統,該系統工作在頻率平坦信道上。其中N 天線AP 通過一個包含M 個元素的STAR-RIS 輔助為多個信息解碼接收器(Information Decoding Re-ceivers,IDR)和能量收集接收器(Energy HarvestingReceivers,EHR)提供服務。分別用= {1,2,…,KI}和= {1,2,…,KE }表示。假設AP 和用戶之間的直接通信鏈路被障礙物阻塞。部署的STAR-RIS通過建立額外的透射和反射鏈路,為信號盲區的用戶提供通信服務和滿足能量收集需求。設G ∈CM×N ,fHr,j∈ C1×M ,fHt,i∈C 1×M 分別表示從AP 到STAR-RIS、STAR-RIS 到第i 個IDR 用戶,STAR-RIS 到第j 個EHR 用戶的窄帶準靜態衰落信道。為了能夠揭示STAR-RIS 所實現的最大性能增益,假設在AP 中可以獲得所有信道的完美CSI。簡單起見,在AP 處考慮線性傳輸預編碼,并假設每個IDR 或EHR 分配一個單獨的信息或能量波束。
圖2 為所考慮的仿真模型,其中AP 和STAR-RIS 分別位于(0,0,0)m 和(0,10,0)m。IDR 和EHR 用戶隨機位于以STAR-RIS 為中心的半圓上,半徑分別為dr = 2 m 和dt = 20 m。小尺度衰落信道G 建模為:
式中:萊斯因子KAR = 3 dB,αAR 表示相應的路徑損耗指數,ρ0 = -30 dB 表示參考距離為1 m 時的路徑損耗,GLoS 表示確定性視線分量(Line of Sight,LoS),GNLoS 表示采用瑞利衰落建模的隨機非視距(Non Line of Sight,NLoS)分量,其余信道可以用類似的方法獲得。
其他所需參數設置如下:用戶數KE = 2,KI = 2。初始化懲罰因子η =10-4 ,等式約束的精度ε1 =10-7 ,交替優化算法的收斂容差ε2 =10-3 ,算法最大迭代次數nmax =30,rmax =30。用戶噪聲功率σ2i= -90 dBm,基于懲罰算法的放縮因子ω = 10。假設IDR 具有相同的QoS 要求,即:Ri =R0△"=lb(1+Υ0 ),Υ0 是所需的最小信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)。同樣,EHR 能量收集要求為Ej =E0 =1 mW。
將所提出的設計方案與一些基準進行比較[11]:① 均勻能量分割(Uniform Energy Splitting,UES)方案,例如:固定βtm = βrm = 0. 5,只優化θtm 和θrm ;② 傳統的RIS 方法,其中一個僅反射RIS 的M / 2 個元件和一個僅透射RIS 的M / 2 個元件被部署在與STAR-RIS 相同的位置處,并且彼此相鄰。這種配置可以提供STAR-RIS 和常規RIS 之間的公平比較。
首先分析所提出的方法的收斂性。圖3 繪制了所需發射功率與迭代次數的關系圖,其中Υ0 =10 dB。從圖中可以看到,經過20 次迭代發射功率傾向于收斂到一個穩定的值。此外,較大的M 以較慢的收斂速度為代價實現較低的發射功率,因為需要優化更多的變量。
圖4 展示了所需功耗與STAR-RIS 元素個數M之間的關系,其中N = 2,Υ0 = 10 dB。從圖中可以看出,所有方案所需的功耗隨著M 的增加而降低。因為更大的M 能夠實現更高的透射或反射波束成形增益,進而降低了AP 的所需功耗。由于TS 模式每個用戶的無干擾通信,即在每個時刻僅服務一個用戶,TS 達到較優的性能。但是元件的周期性切換引入了對時間同步的嚴格要求,需要更高的硬件實現復雜度。還可以觀察到,ES 優于MS 模式。因為在數學上MS 是ES 的特殊情況。由于傳統的RIS 采用固定數量的透射和反射元件,因此不能利用與STAR-RIS 可用的相同的自由度[15](Degrees of Free-dom,DoF)來增強期望的信號強度并減輕用戶間干擾。因此,傳統的RIS 總是性能最差。
圖5 比較了不同協議下的所需功耗與AP 天線的數量N 的關系,其中M = 10,Υ0 = 10 dB。可以看出,由于較高的主動波束成形增益,所有方案需要的功耗均隨著N 的增加而降低。同樣STAR-RIS 性能優于常規的RIS,因為可以利用更多的用于透射和反射設計的DoF。還能觀察到由于基準方案UES缺少逐元素控制的DoF,ES 性能優于UES 模式。
圖6 展示了所需功耗與最小所需SINR 的關系,其中M = 10,N = 2。可以看出,隨著最小所需SINR 的增加,所有方案的所需功耗均增加。還可以觀察到TS 模式對于小Υ0 實現最佳性能(當Υ0 ≤10dB 時),但是對于大的Υ0 ,其他方案優于該方案。這是因為TS 的無干擾通信是以通信時間的低效使用為代價實現的,這對于大Υ0 來說成為主要的性能瓶頸。相比之下,由于對于ES、MS、UES 和傳統RIS,在整個通信時間期間服務所有用戶,因此盡管存在用戶間干擾,但是對于大Υ0 ,實現了比TS 更高的性能。
圖7 為所需功耗與每個EHR 最小接收功率的關系,其中M = 10,N = 2,Υ0 = 10 dB。為了進一步揭示STAR-RIS 對AP 處的發送預編碼器設計的影響,對于ES 方案和傳統RIS 方案,考慮不發送專用能量波束的對比方案。從圖中可以看出,對于具有和不具有能量波束的情況,ES 模式性能優于傳統RIS。通過部署STAR-RIS,發送專用能量波束節省的發射功率明顯降低。因此,在STAR-RIS 輔助的SWIPT系統中,發送專用能量波束的必要性被削弱。這表明如果沒有發送能量波束,STAR-RIS 的部署可以潛在地簡化AP 以及IDRs 處的發射波束成形設計,因為不需要能量信號消除組件。
4 結束語。
本文研究了透射反射雙功能RIS 輔助的無線攜能通信系統。通過聯合優化發射預編碼矩陣及STAR-RIS 的反射和透射系數矩陣,在IDR 可實現通信速率和EHR 的能量收集量約束下實現AP 的發射功率最小化。對于ES 方案,提出了基于SDR算法和基于懲罰算法的交替優化算法來解決聯合波束成形優化問題。仿真結果驗證了在SWIPT 系統下,STAR-RIS 在節省發射功率方面的有效性。此外,使用STAR-RIS 能夠有效地減少SWIPT 系統所需的能量束的數量。
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作者簡介
賈瑞霞 女,(1998—),碩士研究生。主要研究方向:可重構智能表面技術。
(*通信作者)岳殿武 男,(1965—),博士,教授,博士生導師。主要研究方向:無線通信與信息理論。
陳 滎 女,(1998—),碩士研究生。主要研究方向:可重構智能表面技術。
李 琦 男,(1998—),碩士研究生。主要研究方向:可重構智能表面技術。
基金項目:國家自然科學基金(61971081)