Throughput Maximization for IRS-Assisted Wireless Powered Hybrid NOMA and TDMA
智能反射表面（IRS）的高反射波束形成增益使其不仅对无线信息传输而且对无线功率传输具有吸引力。在这封信中，我们考虑了一个IRS辅助的无线供电通信网络，其中基站（BS）发送能量到多个用户分组成多个簇在下行链路中，和集群的用户发送信息的BS在混合非正交多址和时分多址的方式在上行链路中。研究了优化IRS的反射波束形成以及BS的功率传输和不同用户簇的信息传输之间的时间分配以最大化网络的吞吐量，并提出了一种基于块坐标上升、半定松弛和顺序秩一约束松弛技术的有效算法来解决由此产生的问题。仿真结果验证了该算法的有效性，并显示了用户分簇设置对网络吞吐量性能的影响。
2021-04-27 cs.IT eess.SP math.IT
3D Beamforming in Reconfigurable Intelligent Surfaces-assisted Wireless Communication Networks
可重构智能表面（RIS）或智能反射表面（IRS）是可以部署在无线环境中的各个地方以使这些环境可控和可重构的元表面。在本文中，我们调查的问题，使用3D波束赋形的RIS授权的无线网络，并提出了一个新的方案，提供更多的自由度在设计和部署基于RIS的网络。在所提出的方案中，一个基站（BS）配备了一个全维阵列的天线优化其在三维空间中的辐射模式，以最大限度地提高接收信号的信噪比在一个目标用户。我们还研究了RIS接收信号的入射角对其反射特性的影响，并找到了这个角度与BS天线阵列的倾斜角和仰角之间的关系。用户从RIS的反射路径以及从BS的直接路径接收信号，这两者都取决于BS天线阵列的倾斜角和仰角。这些角度以及RIS元件的相移被联合地数值优化。我们的仿真结果表明，使用具有优化相移和辐射角的RIS辅助3D波束成形可以显着提高无线网络的性能。
2020-01-18 cs.IT eess.SP math.IT
Robust Beamforming Design and Time Allocation for IRS-assisted Wireless Powered Communication Networks
针对功率受限的物联网（IoT）智能设备，提出了一种新型的智能反射面（IRS）辅助无线供电通信网络（WPCN）架构，利用IRS提高WPCN在信道状态信息（CSI）不完善情况下的性能。在非理想CSI和非线性能量收集模型下，通过联合优化时间分配、HAP能量波束形成、接收波束形成、用户发射功率分配、IRS能量反射系数和信息反射系数，提出了一个混合接入点（HAP）发射能量最小化问题.由于优化变量之间的高度耦合，该问题是一个难以直接求解的非凸优化问题。为了解决上述具有挑战性的问题，交替优化（AO）技术被应用到解耦的优化变量来解决问题。具体而言，通过AO将时间分配、HAP能量波束形成、接收波束形成、用户发射功率分配、IRS能量反射系数和信息反射系数分解为三个子问题交替求解。在求解IRS的能量反射系数和信息反射系数时，采用凸差分（DC）规划来解决秩为一的非凸约束。数值仿真结果验证了该优化算法在降低HAP发射能量方面的优越性。
2021-12-06 cs.IT eess.SP math.IT
Design of a Multi-User Wireless Powered Communication System Employing Either Active IRS or AF Relay
在本文中，我们优化了一个无线供电通信（WPC）系统，包括多对用户，其中发射机采用单天线发送他们的信息和功率到他们的接收机的帮助下，一个多天线放大和转发（AF）继电器或一个有源智能反射表面（IRS）。我们提出了一个联合时间切换（TS）计划，其中发射机，接收机和中继/IRS要么在他们的能量或信息发送/接收模式。发射的多载波未调制和调制波形分别用于能量收集（EH）和信息解码（ID）模式。为了设计一个最优的公平系统，我们通过一个统一的框架，最大化中继和IRS系统的所有对的最小速率。该框架允许我们同时设计能量波形，找到最佳的中继/IRS放大/反射矩阵，分配功率的信息波形，并分配持续时间为各个阶段。此外，我们考虑到EH电路的非线性在我们的问题。这个问题原来是非凸的。因此，我们提出了一个迭代算法，通过使用Minorization-Maximization（MM）技术，它快速收敛到最优解。数值算例表明，该方法提高了多对WPC中继/IRS系统在各种设置下的性能。
2022-12-31 cs.IT eess.SP math.IT
IRS-Aided Multi-Antenna Wireless Powered Communications in Interference Channels
本文研究了干扰信道中IRS辅助的多天线无线供电通信，提出三种传输方案及通用算法框架以最大化系统总吞吐量，数值结果表明IRS辅助方案在吞吐量和能耗上均优于无IRS方案。
2024-07-30 cs.IT eess.SP math.IT
Deep Reinforcement Learning Powered IRS-Assisted Downlink NOMA
Qatar University（卡塔尔大学）；Hamad Bin Khalifa University（哈马德·本·哈利法大学）；Politecnico di Torino（都灵理工大学）
在这项工作中，我们研究了一个智能反射面（IRS）辅助下行链路非正交多址接入（NOMA）的情况下，以最大限度地提高用户的总速率。IRS的优化问题是相当复杂的，并且是非凸的，因为它需要相移反射矩阵的调谐。由于能够解决非凸优化问题的深度强化学习（DRL）技术的不断部署，我们采用DRL来预测和优化IRS相移矩阵。仿真结果表明，IRS辅助NOMA的基础上，我们利用的DRL方案实现了较高的和速率相比，基于OMA的，随着发射功率的增加，服务更多的用户的能力增加。此外，结果表明，不完美的连续干扰消除（SIC）对执行SIC的用户的数据率具有有害影响。当缺陷增加10倍时，比率降低10%以上。
2021-04-03 cs.IT cs.LG math.IT
Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Energy and Information Transmission: An Overview
智能反射表面（IRS）是一种很有前途的技术，用于实现频谱和能量高效的无线网络的成本效益。现有的IRS研究主要集中在利用IRS来提高无线通信或无线信息传输（WIT）的性能，而其提高射频（RF）无线能量传输（WET）效率的潜力仍然很大。虽然IRS辅助WET与IRS辅助WIT具有相似的特性，但它们在设计目标、接收机架构和实际约束方面有根本的不同。在本文中，我们提供了一个教程概述如何有效地设计IRS辅助WET系统，以及IRS辅助系统与WIT和WET，即IRS辅助同步无线信息和功率传输（SWIPT）和IRS辅助无线供电通信网络（WPCN），主要是从通信和信号处理的角度。特别是，我们提出了最先进的解决方案，以应对这些系统运行中的独特挑战，如IRS无源反射优化，信道估计和部署。此外，我们还提出了新的解决方案，并指出了未来的研究和调查的重要方向。
2021-06-24 cs.AR cs.IT cs.NI
Enhancing User Fairness in Wireless Powered Communication Networks with STAR-RIS
本文提出STAR-RIS辅助的无线供电通信网络，设计ES-NOMA和TS-TDMA两种传输策略以消除双近远效应，并通过联合优化时间、功率和波束成形最大化最小吞吐量，验证了STAR-RIS的性能优势及两种策略的适用场景。
2024-10-02 cs.IT eess.SP math.IT
Wireless Power Transfer for Future Networks: Signal Processing, Machine Learning, Computing, and Sensing
无线电力传输（WPT）是一种新兴的范例，它将使无线在未来的网络中发挥其全部潜力，不仅可以传输信息，还可以提供能量。这样的网络将使未来数万亿的低功耗设备能够在任何地方、任何时间和移动中进行感知、计算、连接和供电。这样的未来网络的设计为信号处理、机器学习、感测和计算带来了新的挑战和机遇，以便最佳地利用RF辐射、频谱和网络基础设施，为无线设备提供具有成本效益的实时电源，并实现无线供电的应用。在本文中，我们首先回顾了最近的信号处理技术，使WPT和无线信息和功率传输尽可能有效。主题包括功率放大器和能量采集器的非线性、有源和无源波束形成、智能反射表面、多天线采集器的接收组合、调制、编码、波形、大规模MIMO、信道捕获、发射分集、多用户功率区域表征、协作多点和分布式天线系统。然后，我们概述了两种不同的设计方法：依赖于分析系统模型，现代凸优化和通信理论的模型和优化方法，以及基于数据驱动的端到端学习和基于物理的学习方法。我们讨论了每种方法的优点和缺点，特别是在考虑无线供电网络中的各种非线性时，并确定了有趣的新兴机会，这些方法可以相互补充。最后，我们确定了WPT可能发挥关键作用的新兴无线技术-无线供电的移动边缘计算和无线供电的传感-认为WPT，通信，计算和传感必须联合设计。
2021-01-13 cs.IT eess.SP math.IT
Performance Analysis and Resource Allocation of STAR-RIS Aided Wireless-Powered NOMA System
提出了一种同时发射和反射的可重构智能表面（STAR-RIS）辅助无线供电的非正交多址（NOMA）系统，该系统包括一个接入点（AP）、一个STAR-RIS和位于STAR-RIS两侧的两个非正交用户。在该系统中，用户首先在下行链路中从AP获取射频能量，然后采用所获取的能量在上行链路中并发地向AP发送信息。两个政策被认为是拟议的系统。第一种是下行链路采用时间交换协议，而上行链路采用能量分割协议，称为TEP。第二个假设能量分裂协议被用于下行链路和上行链路，称为EEP。在Nakagami-m衰落信道下，研究了TEP和EEP系统的中断概率、总吞吐量和平均信息年龄。此外，我们还分析了中断概率，总吞吐量，和平均AOI的STAR-RIS辅助无线供电的时分多址（TDMA）系统。仿真和数值结果表明，所提出的系统与TEP和EEP优于基线方案，并显着提高和吞吐量性能，但降低中断概率和平均AoI性能相比，STAR-RIS辅助无线供电TDMA系统。此外，为了最大化总吞吐量，并确保一定的平均AoI，我们设计了一个基于遗传算法的时间分配和功率分配（GA-TAPA）算法。仿真结果表明，GA-TAPA方法通过自适应调整系统参数，可以显著提高系统的总吞吐量。
2023-01-21 cs.IT cs.NI math.IT
Wirelessly Powered Backscatter Communication Networks: Modeling, Coverage and Capacity
未来的物联网（IoT）将连接数十亿嵌入环境中的小型计算设备，并支持它们的设备到设备（D2 D）通信。为如此大量的嵌入式设备供电是设计物联网的一个关键挑战，因为电池增加了设备的形状因子，并且电池充电/更换很困难。为了应对这一挑战，我们提出了一种新的网络架构，通过集成无线功率传输和反向散射通信，这被称为无线供电反向散射通信（WP-BackCom）网络，使被动节点之间的D2 D通信。在网络中，部署独立功率信标（PB），用于通过向目标节点发送未调制的载波信号来无线地为节点供电。配备有反向散射天线的节点通过调制和反射载波信号的一部分来将数据传输到预期接收器。这种通过反向散射的传输消耗的功率比传统无线电少几个数量级。因此，具有高传输功率的低复杂度PB的密集部署可以为大规模物联网提供动力。本文将WP-BackCom网络建模为水平面上的随机泊松聚类过程，其中PB是泊松分布的，具有固定间隔距离的反向散射通信节点的主动ad-hoc对形成以PB为中心的随机聚类。反向散射节点可以从PB发送的反向散射载波信号中收集能量。此外，每个节点的传输功率取决于与相关联的PB的距离。应用随机几何，网络的覆盖概率和传输容量推导和优化后向散射参数的函数，包括后向散射占空比和反射系数，以及PB密度。的参数对网络性能的影响的特点。
2016-09-18 cs.IT math.IT
IRS-aided Wireless Powered MEC Systems: TDMA or NOMA for Computation Offloading?
提出了一种基于智能反射面（IRS）的无线供电移动边缘计算（WP-MEC）系统，每个设备的计算任务可以分为本地计算和卸载到移动边缘计算（MEC）服务器两部分。考虑时分多址（TDMA）和非正交多址（NOMA）方案用于上行链路（UL）卸载。给定IRS随时间智能地重新配置无线信道的能力，根本上不知道哪种多址方案对于MEC UL卸载是优越的。为了回答这个问题，我们首先调查三种不同的动态IRS波束成形（DIBF）方案的计算速率的卸载方案的影响，IRS在调整其波束成形（BF）向量在每个传输帧的灵活性的基础上。在DIBF框架下，分别针对NOMA和TDMA方案，通过联合优化IRS被动BF和资源分配，来制定计算速率最大化问题。我们严格证明，卸载采用TDMA可以达到相同的计算速率的NOMA，当所有的设备共享相同的IRS BF矢量在UL卸载。相比之下，当IRS BF向量可以灵活地适应于UL卸载时，利用TDMA的卸载优于NOMA。尽管每个DIBF计划与高度耦合的优化变量的计算速率最大化问题的非凸性，我们设想通过调用交替优化计算效率高的算法。我们的数值结果表明，所提出的设计在各种基准计划取得了显着的性能增益。
2021-08-21 cs.ET cs.IT math.IT
IRS-Assisted Wireless Powered NOMA: Do We Really Need Different Phase Shifts in DL and UL?
智能反射面（IRS）具有通过智能反射重构信号传播环境的能力，是提高无线供电通信网络（WPCN）性能的一项重要技术。特别地，IRS所承诺的高无源波束成形增益可以显著增强WPCN中的下行链路无线功率传输（DL WPT）和上行链路无线信息传输（UL WIT）两者的效率。虽然对于DL WPT和UL WIT采用不同的IRS相移，即，动态IRS波束成形原则上是可能的，但会引起额外的信令开销和计算复杂性，因此它是否实际上是有益的是一个公开的问题。为了回答这个问题，我们考虑一个IRS辅助的WPCN，其中多个设备采用混合接入点（HAP）首先收获能量，然后使用非正交多址（NOMA）传输信息。具体来说，我们的目标是最大限度地提高总吞吐量的所有设备，通过联合优化IRS相移和资源分配。为此，我们首先证明，动态IRS波束成形是不需要考虑的系统，这有助于减少IRS相移的数量进行优化。然后，我们提出了联合和交替优化算法来解决由此产生的问题。仿真结果表明，我们提出的设计的有效性，基准计划，也提供了有用的见解IRS实现频谱和能源效率的WPCN的重要性。
2021-03-15 cs.AR cs.ET cs.IT
Energy Minimization for IRS-aided WPCNs with Non-linear Energy Harvesting Model
本文考虑了一种智能反射面（IRS）辅助的无线供电通信网络（WPCN），其中设备首先在下行链路（DL）中从发电站（PS）获取能量，然后在上行链路（UL）中使用非正交多址（NOMA）将信息传输到数据宿。然而，大多数现有的工作WPCN采用简化的线性能量收集模型，也不能保证严格的用户服务质量的要求。为了解决这些问题，我们的目标是通过联合优化资源分配和IRS相移随着时间的推移，最大限度地减少在PS的总传输能耗，受所有设备的最低吞吐量要求。将问题分解为两个子问题，采用凸函数差分规划、逐次凸逼近和惩罚算法交替迭代求解。数值结果表明，所提出的算法在基准计划取得了显着的性能增益，并揭示了将IRS集成到WPCN的好处。特别地，在UL和DL上采用不同的IRS相移优于静态IRS波束成形的情况。
2021-09-02 cs.IT eess.SP math.IT
Sum-Rate Maximization in Active RIS-Assisted Multi-Antenna WPCN
在本文中，我们提出了一种有源可重构智能表面（RIS）启用混合中继方案的多天线无线供电通信网络（WPCN），其中有源RIS被用来协助无线能量传输（WET）从发电站（PS）的能量受限的用户和无线信息传输（WIT）从用户到接收站（RS）。为了进一步提高性能，我们建议在PS处采用发射波束成形和在RS处采用接收波束成形。我们制定了一个总和速率最大化的问题，通过联合优化的RIS相移和幅度反射系数的WET和WIT，发送和接收波束成形向量，和网络资源分配。为了解决这个非凸问题，我们提出了一个有效的交替优化算法与线性最小均方误差准则，半定松弛（SDR）和逐次凸逼近技术。具体而言，证明了SDR应用的严密性。仿真结果表明，我们提出的方案与10个反射元件（RE）和4个天线可以实现17.78%和415.48%的性能增益相比，单天线方案与10个RE和被动RIS方案与100个RE，分别。
2023-01-05 cs.IT eess.SP math.IT
Optimized Energy and Information Relaying in Self-Sustainable IRS-Empowered WPCN
提出了一种在无线供电通信网络（WPCN）中利用自维持智能反射面（IRS）实现的混合中继方案，以同时提高混合接入点（HAP）到多个用户的下行能量传输（ET）和用户到HAP的上行信息传输（IT）的性能。我们提出了时间切换（TS）和功率分配（PS）计划的IRS，其中IRS可以收获能量从HAP的信号之间切换能量收集和信号反射的TS计划或调整其反射幅度在PS计划。对于TS和PS方案，我们制定的总和速率最大化问题，通过联合优化IRS的相移ET和IT和网络资源分配。为了解决每个问题的非凸性，我们提出了一个两步算法，以获得高精度的近最优解。为了显示资源分配的结构，我们还研究了随机相移方案的最优解。通过数值结果，我们表明，我们提出的计划可以实现显着的系统和速率增益相比，基线计划没有IRS。
2020-09-30 cs.IT eess.SP math.IT
IRS-Aided WPCNs: A New Optimization Framework for Dynamic IRS Beamforming
在本文中，我们提出了一种新的动态IRS波束形成框架，以提高智能反射面（IRS）辅助无线供电通信网络（WPCN）的总吞吐量。具体地，跨时间的IRS相移矢量和资源分配被联合优化，以增强混合接入点（HAP）和多个无线供电设备之间的下行链路无线功率传输（DL WPT）和上行链路无线信息传输（UL WIT）两者的效率。为此，我们首先研究了动态IRS波束形成的三种特殊情况，即用户自适应IRS波束形成，UL自适应IRS波束形成和静态IRS波束形成，通过表征它们的最佳性能关系并提出相应的算法。有趣的是，严格证明后两种情况下实现相同的吞吐量，从而有助于将待优化的IRS相移的数量和UL自适应IRS波束成形实际所需的信令开销减半。然后，我们提出了一个通用的优化框架，动态IRS波束形成，这是适用于任何给定数量的IRS相移矢量。尽管具有高度耦合的优化变量的一般问题的非凸性，我们提出了两种算法来解决它，特别是，低复杂度的算法利用了最优解的内在结构以及用户自适应和静态IRS波束形成的情况下的解决方案。仿真结果验证了我们的理论研究结果，说明了IRS与动态波束形成的频谱和能量有效的WPCN的实际意义，并证明了我们提出的设计的有效性，在各种基准计划。
2021-11-19 cs.ET cs.IT cs.NI
User Scheduling and Trajectory Optimization for Energy-Efficient IRS-UAV Networks with SWIPT
研究了无人机智能反射面（IRS）支持下的网络用户调度和轨迹优化问题。IRS通过同步无线信息和功率传输（SWIPT）技术供电。IRS增强用户的上行链路信号，以提高网络的寿命和能源效率。它同时利用非线性能量收集电路收集能量，并通过控制其反射系数和相移来反射入射信号。无人机的轨迹影响这些操作的效率。通过对用户调度、无人机轨迹/速度和IRS相移/反射系数的联合优化，使所有用户的最大能量消耗最小化，同时保证每个用户所需的最小数据率和IRS的最小收获能量。我们首先推导出一个封闭形式的解决方案的IRS相移，然后解决的关键问题的非凸性。最后，我们提出了一个交替优化（AO）算法来优化剩余的变量迭代。我们展示了几个基准的收益。例如，使用50个元件的IRS，最小-最大能耗可以低至0.0404（焦耳），比无IRS的情况（达到0.0435（焦耳））提高了7.13%。我们还表明，没有EH的IRS-UAV表现最好的IRS的电路功耗的成本（比没有IRS的情况下提高了20%）。
2022-09-12 cs.IT eess.SP math.IT
Non-Uniform Codebook Design for Optical IRS-Assisted VLC Systems
Aristotle University of Thessaloniki（色雷斯大学）；University of Ioannina（约阿尼纳大学）；FORTH（希腊研究基金会）；James Watt School of Engineering, University of Glasgow（格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院）
针对光学智能反射面辅助室内可见光通信系统中均匀码本导致用户平面覆盖不均的问题，提出基于几何光学的非均匀码本设计，使反射波束更均匀分布，仿真验证了其优越性。
2026-06-07 cs.IT math.IT
Joint Dynamic Passive Beamforming and Resource Allocation for IRS-Aided Full-Duplex WPCN
研究了智能反射面（IRS）辅助的全双工无线供电通信网络（WPCN），其中混合接入点（HAP）在下行链路（DL）向多个设备广播能量信号以进行能量收集，同时在上行链路（UL）借助IRS接收信息信号。特别是，我们提出了三种类型的IRS波束成形配置，以达到系统性能和信令开销以及实现复杂度之间的平衡。我们首先提出了全动态IRS波束成形，其中IRS相移矢量随每个时隙而变化，用于DL无线能量传输（WET）和UL无线信息传输（WIT）。为了进一步降低信令开销和实现复杂度，我们研究了两种特殊情况，即部分动态IRS波束形成和静态IRS波束形成。对于前一种情况，两个不同的相移矢量可以分别用于DL WET和UL WIT，而对于后一种情况，相同的相移矢量需要应用于DL和UL传输。我们的目标是最大限度地提高系统的吞吐量，通过联合优化的时间分配，HAP发射功率，和IRS相移为上述三种情况。分别针对理想自干扰抵消和非理想自干扰抵消两种情况，利用逐次凸逼近和凸差优化技术，提出了基于交替优化和惩罚的两种有效算法。仿真结果证明了IRS对FD-WPCN性能的改善，同时也表明，在适当抑制自干扰的情况下，IRS辅助FD-WPCN与半双工FD-WPCN相比能够获得显著的性能增益。
2021-08-15 cs.IT eess.SP math.IT
Resource Management for IRS-assisted WP-MEC Networks with Practical Phase Shift Model
针对通信链路受阻时WP-MEC网络能量传输与任务卸载效率降低的问题，提出采用多IRS辅助并基于实际相移模型，通过联合优化波束成形、功率与时隙分配最大化总计算速率。
2023-09-07 cs.IT eess.SP math.IT
