双无线供能IRS辅助的无线通信系统的吞吐量优化研究

陈健锋　崔苗　张广驰

摘 要：在未來物联网等新型无线网络场景中，需要进行信息和能量同步传输，而且通信环境复杂多变，通信设备维护成本较高。一方面，智能反射面（IRS）能通过对无线信道的智能调控提高无线通信与无线传能的性能，另一方面，通过无线能量传输对IRS进行供能，解决部署IRS时存在的供能不便的问题，降低设备维护成本。研究双无线供能IRS辅助的无线通信系统的吞吐量优化，在该系统中，多天线基站先向IRS无线传输能量，然后在IRS的辅助下向多个单天线用户发送信息。针对基站与IRS之间的信道不受阻和受阻两种情况，分别提出两时隙和三时隙的传输模式，并研究优化它们的吞吐量。具体而言，研究联合优化基站的发射波束成形、IRS的反射波束成形以及各时隙长度，在基站最大发射功率、各用户最小接收速率、各时隙持续时间和IRS反射系数的模一约束下，最大化系统的总吞吐量。由于优化变量高度耦合，难以直接求最优解，提出了基于交替优化、连续凸逼近和半正定松弛的优化算法，以求得优化问题的高质量次优解。仿真结果显示，所提联合优化算法取得了明显高于基准算法的吞吐量性能，并且揭示了两时隙和三时隙传输模式的适用场景。

关键词：智能反射面；无线供能；吞吐量优化

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1001-3695（2023）10-034-3107-07

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2023.02.0088

Throughput optimization for wireless communication systems assisted by

dual wireless powered IRS

Chen Jianfeng，Cui Miao，Zhang Guangchi

（School of Information Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Abstract：In new wireless network scenarios，such as the future Internet of Things，it is necessary to transmit information and energy simultaneously，and the communication environment is complex and variable，with high maintenance costs for communication equipment.On the one hand，IRS can improve the performance of wireless communication and wireless power transfer by intelligent adjustment of the wireless channel.On the other hand，providing power supply to IRS by wireless power transfer can solve the problem of inconvenient power supply of IRS and reduce the maintenance costs.This paper investigated the throughput optimization of a dual wireless powered IRS-assisted wireless communication system，in which the multi-antenna base station （BS） first transmitted energy to two IRS，and then transmitted information to multiple single-antenna users with the help of the IRS.For the cases without and with channel blocking between the BS and the IRS，this paper proposed two-phase and three-phase transmission modes，respectively.It maximized the throughputs of these modes by optimizing the transmit beamforming of the BS，the reflect beamforming of the IRS，and the time allocation of different phases，subject to the constraints of the maximum transmit power of the BS，the minimum rate of the users，the duration of each phase，and the unit-module reflection coefficients of the IRS.Since the resulting optimization problems were convex and the optimization variables were highly coupled，it was difficult to find their optimal solution directly.

This paper proposed two optimization algorithms based on the alternating optimization，successive convex approximation，and semi-definite relaxation techniques to obtain high-quality sub-optimal solutions.Simulation results show that the proposed algorithms achieve significantly better throughput performance compared to some benchmark algorithms and demonstrate the suitable application scenarios of the two-phase and three-phase transmission modes.

Key words：intelligent reflecting surface（IRS）；wireless power transfer；throughput optimization

0 引言

智能反射面（IRS）作为未来6G的新兴技术之一，近年来吸引着学术界和工业界的巨大关注。IRS使用可编程的新型亚波长二维超材料作为反射元件，能动态地调整入射电磁波的振幅和相位，实现信号传播方向的控制、增强和抑制作用。IRS既能构建出智能的无线电传播环境，提高通信系统的频谱效率进而提升通信速率，也具备绿色和低成本等优点，已经成为研究6G万物智联的热点技术［1］。文献［2］研究IRS辅助的单小区通信场景，在满足各用户最低信干噪比的条件下，通过联合优化发射和反射波束成形以最小化多天线接入点的发射功率。文献［3］研究单合法用户和单窃听者場景下，IRS辅助无线通信系统的物理层安全问题，表明联合优化基站的波束成形和IRS的反射系数能大幅提高系统的安全速率。文献［4］研究IRS辅助无线供能网络中的吞吐量问题，其中同一分组中的不同用户应用非正交多址接入技术（non-orthogonal multiple access，NOMA）接入系统，表明通过联合优化发射和反射波束成形能够有效提高系统总吞吐量。文献［5］研究了一个上行多用户NOMA系统的物理层安全问题，通过对基站波束成形和IRS反射波束成形进行联合优化，从而令系统保密率最大化。文献［6］研究了多用户系统的鲁棒性传输问题。与传统考虑最坏情况下的性能研究不同，其考虑的是系统的随机信道估计误差，并通过优化发射和反射波束成形最小化系统的平均和均方误差。文献［7］则从深度强化学习的角度研究IRS辅助认知无线电系统的通信问题，运用DDPG（deep deterministic policy gradient）和SAC（soft actor-critic）算法最大化次要用户的信息速率，表明与传统的数学求解方法相比，运用机器学习的方法一定程度上能降低计算复杂度。

IRS不仅能提升无线信息传输的速率和覆盖率，还能显著增强无线电信号的能量传输效率。无线携能通信技术（simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）从提出至今已得到广泛深入的研究，且被认为是工业互联网和未来万物智联时代的关键技术之一，但如何进一步提升其能量传输效率一直是亟待解决的问题。由于IRS具备智能反射的优点，即能对信号进行相干叠加，在其附近形成高强度能量收集区域，补偿射频信号传输过程中的路损，于是可将IRS用于辅助SWIPT系统，充分发挥IRS的优势，进一步提升能量传输效率［8～14］。文献［8］对IRS辅助的无线信息与能量传输进行了综述，表明IRS对提升系统通信性能和传输效率方面起到关键作用，并从物理层安全、无人机协同辅助、新型多址接入、机器学习等角度，对IRS辅助SWIPT系统进行了展望。文献［9］考虑了一个IRS辅助多用户的SWIPT系统，提出一种基于MM（majorization-minimization）算法、交替优化和Dinkelbach算法的联合优化算法，在满足基站最大发射功率、IRS反射系数约束和功率分裂系数约束条件下最大化能量收集效率。文献［10］考虑了一个采用有源IRS辅助SWIPT系统，并分别研究了最大化能量收集用户的功率加权和以及最大化信息收集用户的总速率两个优化问题，证明了与无源IRS的基准方案相比，部署有源IRS可实现速率和能量收集性能上的显著提升。然而，目前对于IRS用于辅助无线携能通信，大部分研究只考虑了部署单个IRS的场景，且多数研究尚未考虑到利用无线电信号为IRS提供能量。

一方面，当单个IRS需要为室内（如办公楼，教学楼）用户服务时，若IRS到用户之间的信道存在严重遮挡，信道增益会大幅下降，由IRS反射入射信号所创建的高质量虚拟视距链路被严重削弱，系统性能因此严重下降，降低了IRS在无线通信系统的有效作用［15～19］。为此，需要部署两个IRS，并考虑它们之间的高质量链路来协同辅助系统进行信号传输。文献［15］研究两个IRS协同辅助单用户通信的场景，且系统中只存在一条由基站经两个IRS两跳反射到用户的信道，通过联合优化发射和反射波束成形最大化用户速率，并证明部署两个协作IRS的性能明显优于部署反射元件数足够多的一个IRS的性能。文献［16］研究两个IRS辅助的多用户上行通信系统，并考虑了IRS之间的信道，通过联合优化基站的波束成形和两个IRS之间的反射系数，以使所有用户的最小信干噪比最大化。文献［17］研究采用两个IRS保障SWIPT系统的物理层安全，通过对基站和IRS的主动和被动波束成形进行联合优化，从而令系统总速率最大化，并揭示了相较于传统的单IRS系统，双IRS系统在保证信息安全和传能需求的前提下，对提升系统速率性能有较大的潜能。另一方面，虽然文献［10］表明有源IRS可显著提升系统性能，但当IRS部署在更换电池不便的地方（如高空）时，需为IRS配备射频能量采集模块，通过基站给IRS发送能量信号，以提供IRS足够的能量使其自持续地工作，而无须额外的能量补给［20］。文献［21～23］均研究了单个无线供能IRS辅助的通信系统，其中文献［21］采用分阶段发送能量信号和信息信号的方式为IRS供能，文献［22］采用基站下行给IRS供能，用户上行给基站发送信息的方式实现系统的自持续性，文献［23］则研究了IRS不同反射元件具备不同功能的情况，即一部分反射元件用于反射信号消耗能量，另一部分反射元件用于收集来自基站发送的能量信号以补充能量，从而实现自身的可持续性。

文献［16～19］均未考虑基站为IRS提供能量，所假设的两个IRS到用户均是较强的信道，以及两个IRS之间的链路均为单向链路的系统模型未能更准确地符合实际环境。尽管IRS仅被动地反射入射信号，但在实际系统中，特别是当IRS元件的数量很大时，其控制器用于通信和动态控制反射元件所消耗的功率不能被忽略。利用无线能量信号向IRS供能是一种有效的方式，当IRS部署在没有有线电源、不便更换电池或更换电池会产生昂贵成本或存在安全隐患时，只需要利用基站向IRS进行无线供能即可解决以上问题。例如，基站可以发射无线能量信号，向部署在高空建筑物外墙的IRS提供能量，使其长时间自持续地工作。文献［21～23］则只假设在单个无线供能的IRS上辅助系统工作，一旦IRS到用户的信道情况变得较差时，系统性能就会严重受损。同时，在物联网中，双无线供能的IRS具有较广阔的应用前景和应用价值。一方面，双IRS系统比单IRS系统有更高的频谱效率和更可靠的稳定性和抗干扰能力，即使在单个IRS的反射链路被阻挡情况下，依然可以依靠两个IRS间的相互协作建立高质量通信链路，从而为处于室内或偏僻处，难以收到高强度直射信号的终端提供可靠与有效的通信服务。另一方面，无线供能IRS的系统具有可持续性，即使IRS被部署到更换电池的成本较高或难度更大的地方，也能通过无线供能的方法为其充电，从而实现IRS的自主持续工作。在未来物联网系统中，通信环境复杂多变，通信设备众多，维护与管理难度大，基于无线供能的可自持续性IRS设备备受业界的青睐。

综上所述，针对单IRS到用户间的信道可能存在遮挡而导致系统性能降低的情况，为了解决部署IRS时面临的有效供能问题，并充分利用两个IRS提供的更大自由度，本文考虑一个由两个无线供能IRS辅助的多用户通信系统，通过联合优化基站的发射波束成形、IRS的反射波束成形以及各时隙长度，在基站最大发射功率、各用户最小接收速率、各时隙持续时间和IRS反射系数的模一约束下，最大化系统的总吞吐量。本文的创新点与贡献如下：

a）系统模型的创新。本文研究双IRS辅助的系统并充分利用两个IRS之间的高质量链路，既能为IRS进行有效无线供能，又能充分提高系统的信息传输性能。充分挖掘双IRS提供的优化自由度，针对基站与IRS间信道受阻和不受阻的场景，分别提出三时隙传输模式和两时隙传输模式进行无线能量传输和信息传输。

b）所提算法的创新。考虑的优化问题为非凸优化问题，且优化变量相互耦合，难以直接求得最优解。本文首先通过将变量进行解耦，形成等价的子问题，然后应用半正定规划、半正定松弛和连续凸逼近方法，将非凸优化问题转换为凸优化问题，进而采用交替优化以及高斯随机法求得问题的高质量次优解。在优化两时隙传输方案的时隙长度时，通过引入松弛变量求得了封闭解。

c）研究结果的创新。仿真结果显示，所提联合优化算法取得明显高于基准算法的吞吐量性能，且在基站到IRS之间的信道不受阻的情况下，三时隙传输模式和两时隙传输模式的系统总吞吐量性能相当；而在信道受阻的情况下，三时隙传输模式的性能优于两时隙传输模式。这些结果为系统如何灵活使用两时隙和三时隙传输模式提供了依据。

1 系统模型及问题构建

如图1所示，考虑一个由两个无线供能IRS辅助的无线通信系统，系统包含两时隙和三时隙两种传输模式。在两时隙传输模式中，基站在第一个时隙发送能量信号为两个IRS提供能量，在第二个时隙下行向用户发送信息信号，两个IRS利用第一时隙获得的能量实现自持续地工作，无须外界额外提供电源。当基站到其中一个IRS（如IRS 2）间的信道受阻时，采用三时隙传输模式。具体地，基站在第一和二个时隙分别主要为IRS 1和IRS 2提供能量，在第三个时隙发送信息信号。其中，IRS 1在第二个时隙利用IRS之间的高质量链路反射能量信号为IRS 2快速提供能量。

图4所示为在基站到两个IRS之间均存在较强信道的场景下，系统总吞吐量随IRS反射单元数的变化趋势图。从图中观察到，“两时隙”和“三时隙”传输模式在该场景下的性能接近，且均高于单个IRS辅助下的系统性能。这是由于在单IRS系统中，虽然反射元件数足够多，但IRS到用户的信道受阻，来自于IRS反射链路的高信道增益发生严重衰减，大大降低了IRS在系统中能提高频谱效率的作用，从而导致系统吞吐量降低。而采用两个IRS协同辅助系统通信时，由于IRS之间的存在高质量链路，增加了新的优化自由度，且IRS 2到用戶间的信道较强，信道增益高，联合优化发射和反射波束成形后，相较于“单IRS”的情况有较大的性能提升。三种方案的系统总吞吐量均随N的增大而提升，说明适当增加IRS的反射元件数能提高系统性能。

图5所示为在基站到IRS 2之间信道较弱的场景下，系统总吞吐量随IRS反射单元数的变化趋势。从图中观察到，“三时隙”的系统性能优于“两时隙”和“单IRS”。这是由于在该场景下，“两时隙”需要用较多的时间资源为两个IRS提供能量，即需增加第一个时隙的时间长度，从而降低了双IRS在第二个时隙用来反射信号的工作时间，导致系统吞吐量降低。“三时隙”传输模式虽然也增加了前两个时隙为双IRS提供能量的时间，但是其在第二时隙利用IRS 1反射能量信号给IRS 2供电，补偿了由于基站到IRS 2的信道较弱导致的能量损失，所以整体性能上仍优于“两时隙”和“单IRS”方案。综上所述，该场景下，系统应用“三时隙”传输模式能获得更高的吞吐量。

5 结束语

本文考虑一个双无线供能IRS辅助的无线通信系统，研究联合优化基站的发射波束成形、IRS的反射波束成形和各时隙长度，最大化系统的吞吐量。针对基站到其中一个智能反射面信道是否受阻的场景，提出三时隙和两时隙两种不同的传输模式。由于所构建的优化问题优化变量高度耦合，且为非凸优化问题，难以直接求得最优解。针对两种场景下，基于交替优化、连续凸逼近和半正定松弛的方法提出了两种算法解决两种不同的传输模式形成的优化问题，均求得了高质量次优解。仿真结果表明，在基站到IRS之间的信道状况较好时，三时隙传输模式和两时隙传输模式的系统性能接近；当基站到其中一个IRS之间的信道状况较差时，三时隙传输模式带来的系统性能优于两时隙传输模式。

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收稿日期：2023-02-17；修回日期：2023-04-27基金項目：国家重点研发计划资助项目（2020YFB1805300）

作者简介：陈健锋（1998-），男，广东人，硕士研究生，主要研究方向为智能反射面和无线能量传输；崔苗（1978-），女（通信作者），新疆呼图壁人，讲师，博士，主要研究方向为新一代无线通信技术（cuimiao@gdut.edu.cn）；张广驰（1982-），男，广东广州人，教授，博士，主要研究方向为新一代无线通信技术．