[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Aided MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

Cunhua Pan, Hong Ren+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 42被引用数 280

ひとこと要約

本論文は、ER（エネルギー受信機）のエネルギー収集を保証しつつ、IRS支援のSWIPT MIMOシステムにおける能動ビームフォーミングと受動ビームフォーミングの結合を検討し、重み付き和利得を最大化する。BCDベースのアルゴリズムとWMMSE再形成を用いる。

ABSTRACT

An intelligent reflecting surface (IRS) is invoked for enhancing the energy harvesting performance of a simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) aided system. Specifically, an IRS-assisted SWIPT system is considered, where a multi-antenna aided base station (BS) communicates with several multi-antenna assisted information receivers (IRs), while guaranteeing the energy harvesting requirement of the energy receivers (ERs). To maximize the weighted sum rate (WSR) of IRs, the transmit precoding (TPC) matrices of the BS and passive phase shift matrix of the IRS should be jointly optimized. To tackle this challenging optimization problem, we first adopt the classic block coordinate descent (BCD) algorithm for decoupling the original optimization problem into several subproblems and alternatively optimize the TPC matrices and the phase shift matrix. For each subproblem, we provide a low-complexity iterative algorithm, which is guaranteed to converge to the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) point of each subproblem. The BCD algorithm is rigorously proved to converge to the KKT point of the original problem. We also conceive a feasibility checking method to study its feasibility. Our extensive simulation results confirm that employing IRSs in SWIPT beneficially enhances the system performance and the proposed BCD algorithm converges rapidly, which is appealing for practical applications.

研究の動機と目的

• エネルギー受信機（ER）の近くにインテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を配置することで、エネルギー効率の高いSWIPTを動機づけ、実現する。
• ERのエネルギー制約を含む多ユーザMIMOダウンリンクにおけるIRS支援SWIPTの重み付き和利得最大化問題を定式化し、解く。
• BS送信プリコーダとIRS位相シフトを共同最適化する、低計算複雑で収束性のあるアルゴリズムを開発。
• ERの動作範囲を拡大しIRのレートを向上させるためのIRSの実現可能性を評価し、性能向上を示す。
• チャネルのパスロスとIRSの配置がシステム性能に与える影響について洞察を提供する。

提案手法

• BSプリコーダとIRS位相シフトの交互最適化を可能にするため、WMMSE（weighted MMSE）等価性によってWSR最大化を再定式化。
• TPCマトリクスとIRS位相シフトマトリクスを反復的に最適化するため、ブロック座標下降（BCD）法を適用。
• 固定された位相シフトに対して、固有の低複雑性の反復法を用いてTPC最適化を解く。SCAとラグランジュデュアル分解に基づき、双対変数の二分法探索を含む。
• 固定されたTPCに対して、非凸QCQPとして位相シフト最適化を、MM（majorization-minimization）と価格ベース法を用いてKKT点解を得る。
• 各サブ問題および全体のBCDアルゴリズムについてKKT点への収束性を証明し、実現可能性検証戦略を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SWIPT MIMOシステムにおいて、IRSの位相シフトをBS送信プリコーダと共同設計して情報受信機の重み付き和利得を最大化するにはどうすればよいか。
• RQ2 ERのエネルギー収集要件を含めると、IRS支援SWIPT伝送の共同設計と実現可能性はどう変わるか。
• RQ3 結合されたTPCと位相シフト最適化問題に対して、低計算複雑で信頼性高くKKT点へ収束するアルゴリズムとは何か。
• RQ4 ERの近くでのIRS配置が、実現可能な動作範囲とエネルギー収穫性能に与える影響は何か。
• RQ5 チャネル条件とパス損失指数がSWIPT環境におけるIRSの利得にどのように影響するか？

主な発見

• SWIPT-MIMOシステムにIRSを導入すると、エネルギー収穫性能が大幅に向上し、ERの動作範囲を拡張できる。
• 提案されたBCDベースのアルゴリズムは、結合されたTPCと位相シフト最適化でKKT点へ迅速に収束する。
• WMMSE再形成によって問題を分離し、SCA、MM、デュアル法でサブ問題を解くことで、実現可能で効率的な最適化フレームワークを実現。
• 実現可能性の検討では、EH制約が解を制限することが明らかになり、専用の実現可能性検査手法が問題解決性を判断するのに役立つ。
• シミュレーション結果は、IRS支援SWIPTが性能向上をもたらすことを確認し、IRSの配置とパス損失がシステム性能に及ぼす影響を示している。