[論文レビュー] Intelligent Reconfigurable Surface Aided Power Control for Physical-Layer Broadcasting

Huimei Han, Jun Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ユーザーのサービス品質（QoS）制約を満たしつつ送信電力を最小化するため、基地局（BS）のビームフォーミングとIRSの位相シフトを共同最適化する知的再構成表面（IRS）支援型電力制御方式を提案する。シミュレーション結果から、IRS支援システムは理論的最小電力に非常に近い性能を達成しており、従来の非IRS方式を著しく上回ることが示された。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS), a recently introduced technology, enhances spectral and energy efficiency by intelligently adjusting the propagation conditions between a base station (BS) and mobile users (MUs). An IRS consists of many low-cost passive reflecting elements, each of which can be controlled to change the phase of the incident signal to improve the quality of the received signal. In this paper, we study the problem of power control at the BS for the IRS-aided physical-layer broadcasting under the quality of service (QoS) constraints. Our goal is to minimize the transmit power at the BS by jointly designing the transmit beamforming at the BS and the phase shifts of the passive elements at the IRS, subject to each MUs signal-to-noise ratio constraint which characterizes MU's QoS. Furthermore, to validate the proposed optimization methods, we derive lower bounds of the minimum transmit power at the BS with respect to the number of MUs, the number of IRS elements, and the number of antennas at the BS. The simulation results demonstrate that the transmit power at the BS in the IRS-aided system is very close to the lower bound, and is significantly lower than the transmit power of conventional schemes without IRS.

研究の動機と目的

• IRS支援型物理層ブロードキャストシステムにおける基地局（BS）の送信電力を最小化すること。
• 個々の移動端末ユーザー（MUs）のサービス品質（QoS）要件を信号対雑音比（SNR）制約を通じて満たすこと。
• 電力効率を高めるために、BS送信ビームフォーミングとIRSの受動的位相シフトを共同最適化すること。
• システムパラメータに関して、最小送信電力の理論的下限を導出すること。
• シミュレーションを用いて、IRS支援型と従来の非IRSシステムを比較して、提案手法の有効性を検証すること。

提案手法

• 合計送信電力を最小化するため、BS送信ビームフォーミングベクトルとIRS位相シフトを共同最適化すること。
• 個々のMUのSNR制約を満たす非凸最適化問題として問題を定式化すること。
• 交互最適化を用いて、ビームフォーミングと位相シフトの解を繰り返し改善すること。
• MU数、IRS要素数、BSア净数に基づいて、最小送信電力の解析的下限を導出すること。
• 半定値緩和と逐次凸近似技術を用いて非凸問題を解くこと。
• IRS支援型と従来の非IRSシステムを比較するシミュレーションにより、解の有効性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QoS制約下において、IRS支援型物理層ブロードキャストシステムにおけるBSの送信電力をどのように最小化できるか？
• RQ2 システムパラメータの関数として、最小送信電力の理論的下限は何か？
• RQ3 ビームフォーミングとIRS位相シフトの共同最適化は、従来方式と比較してエネルギー効率をどのように向上させるか？
• RQ4 IRS支援型システムは理論的電力下限にどの程度近づくか？
• RQ5 MU数、IRS要素数、BSア净数は、達成可能な電力削減にどのように影響するか？

主な発見

• 提案されたIRS支援型電力制御方式は、理論的下限に非常に近い送信電力を達成する。
• 従来の非IRS方式と比較して、送信電力を顕著に低減する。
• IRS要素数とBSア净数が増加するにつれて、送信電力の下限は減少する。
• ユーザー密度が高く、BS電力が限られた環境では、性能向上が顕著に現れる。
• ビームフォーミングと位相シフトの共同最適化により、スペクトル効率およびエネルギー効率の大幅な向上が可能になる。
• シミュレーション結果から、IRS支援型システムが理論的電力限界に非常に近い動作を示しており、提案手法の有効性が検証された。