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

Huimei Han, Jun Zhao+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 70被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、物理層ブロードキャストにおいて基地局（BS）の送信電力を最小化することを目的として、共同送信ビームフォーミングと知能反射表面（IRS）の位相シフト最適化を提案する。RISを活用して信号伝搬を強化することで、著しい電力低減を達成し、理論的下限値に非常に近い平均送信電力が得られ、従来のRIS非搭載システムと比較して顕著に低い電力を実現した。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS), a recently introduced technology for future wireless com-munication systems, enhances the spectral and energy efficiency by intelligently adjusting the propaga-tion conditions between a base station (BS) and mobile equipments (MEs). An RIS consists of manylow-cost passive reflecting elements to improve the quality of the received signal. In this paper, westudy the problem of power control at the BS for the RIS aided physical-layer broadcasting. Our goalis to minimize the transmit power at the BS by jointly designing the transmit beamforming at the BSand the phase shifts of the passive elements at the RIS. Furthermore, to help validate the proposedoptimization methods, we derive lower bounds to quantify the average transmit power at the BS as afunction of the number of MEs, the number of RIS elements, and the number of antennas at the BS.The simulation results demonstrated that the average transmit power at the BS is close to the lowerbound in an RIS aided system, and is significantly lower than the average transmit power in conventionalschemes without the RIS.

研究の動機と目的

• RISを支援する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。
• 基地局における送信ビームフォーミングとRIS上に配置された受動的反射素子の位相シフトを共同で最適化すること。
• システムパラメータ（端末数、RIS素子数、BSア净数）の関数として、平均送信電力の解析的下限値を導出すること。
• シミュレーションを用いて提案手法の妥当性を検証し、従来のRIS非搭載方式と性能を比較すること。
• エネルギー効率の向上という観点から、RIS搭載システムの性能向上を定量すること。

提案手法

• 合計送信電力を最小化するために、基地局における送信ビームフォーミングベクトルとRIS素子の位相シフトを共同で最適化する。
• 複数の移動端末（MEs）に対するサービス品質制約のもとで、電力最小化問題を定式化する。
• RIS素子数、BSア净数、ME数といったシステム寸法に基づいて、平均送信電力の理論的下限値を導出する。
• 非凸最適化問題を解くために、凸緩和と交互最適化技術を用いる。
• レイリー fading 環境下でモンテカルロシミュレーションを用いて解を検証する。
• 提案手法の平均送信電力と、RIS非搭載従来方式の平均送信電力を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理層ブロードキャスト環境下で、ビームフォーミングとRIS位相シフトを共同最適化することで、どの程度の電力低減が達成できるか？
• RQ2 RISを支援するシステムにおいて、システムサイズの関数として平均送信電力の理論的下限値はどのように変化するか？
• RQ3 実用的状況下で、提案手法の性能は導出された下限値からどの程度近いか？
• RQ4 従来の非RISシステムと比較して、RISはエネルギー効率をどの程度向上させるか？
• RQ5 RIS素子数、BSア净数、ME数の増加が、達成可能な電力低減にどのように影響するか？

主な発見

• 提案されたRIS支援システムにおける平均送信電力は、導出された理論的下限値に非常に近い。
• 提案手法は、RIS非搭載従来システムと比較して顕著に低い平均送信電力を達成した。
• RIS素子数とBSア净数が増加するほど、性能向上が顕著に増幅された。
• 実際の電力と下限値とのギャップが小さく、システムの高いロバストネスとスケーラビリティを示した。
• ビームフォーミングと位相シフトの共同最適化により、物理層ブロードキャストにおける顕著なエネルギー効率の向上が達成された。