In this paper, we examine how to minimize the total energy consumption of a user equipment (UE) when it transmits a finite-sized data payload of a given length. The receiving base station (BS) controls a reconfigurable intelligent surface (RIS) that can be utilized to improve the channel conditions, but only if additional pilot signals are transmitted to configure the RIS. The challenge is that the pilot resources spent on configuring the RIS increase the energy consumption, especially when small payloads are transmitted, so it must be balanced against the energy savings during data transmission. We derive a formula for the energy consumption, taking both the pilot and data transmission power into account. It also includes the effects of imperfect channel state information, the use of phase-shifts with finite resolution at the RIS, and the passive circuit energy consumption. We also consider how dividing the RIS into subarrays consisting of multiple RIS elements using the same reflection coefficient can shorten the pilot length. In particular, the pilot power and subarray size are tuned to the payload length to minimize the energy consumption while maintaining parts of the aperture gain. Our analytical results show that, for a given geometry and transmission payload length, there exists a unique energy-minimizing subarray size and pilot power. For small payloads and when the channel conditions between the BS and UE are favorable compared to the path to the RIS, the energy consumption is minimized using subarrays with many elements and low pilot transmission power. On the other hand, when the channel conditions to the RIS are better and the data payloads are large, it is preferable to use fewer elements per subarray, potentially configuring each element individually and transmitting the pilot signals with additional power.


翻译:在本文中,我们研究如何在用户设备(UE)传输具有给定长度的有限大小的数据有效载荷时将总能量消耗最小化。接收基站(BS)控制可重构智能面(RIS)以改善通道条件,但仅在发送额外的导频信号以配置RIS时可用。挑战在于用于配置RIS的导频资源会增加能量消耗,特别是在传输小有效载荷时,因此必须平衡与数据传输期间的节能效果。我们推导了能量消耗的公式,同时考虑了导频和数据传输功率。它还包括不完全的通道状态信息、在RIS上使用有限分辨率的相位移位以及被动电路能量消耗的影响。我们还考虑了将RIS分成由使用相同反射系数的多个RIS元素组成的子阵列,以缩短导频长度。特别是,将导频功率和子阵列大小调整到有效载荷长度,以在保持部分口径增益的同时最小化能量消耗。我们的分析结果表明,在给定的几何形状和传输有效载荷长度下,存在一种唯一的能量最小化子阵列大小和导频功率。对于小有效载荷和当BS和UE之间的通道条件相对于到达RIS的路径而言有利的情况,使用许多元素和低导频传输功率的子阵列可以最小化能量消耗。另一方面,当到达RIS的通道条件更好且数据有效负载较大时,最好使用较少的元素来配置每个元素,可能以额外的功率传输导频信号。

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