[論文レビュー] IRS-Aided WPCNs: A New Optimization Framework for Dynamic IRS Beamforming

Qingqing Wu, Xiaobo Zhou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、無線駆動通信ネットワーク（WPCNs）における新たな動的インテリジェント反射表面（IRS）ビームフォーミングフレームワークを提案し、時間的に変化するIRS位相シフトとリソース割り当てを共同最適化することで、合計スルーレットを最大化する。UL適応型と静的IRSビームフォーミングが同一の性能を達成することを証明し、顕著なシグナリングオーバーヘッド削減を実現するとともに、実用的導入を可能にする低複雑度アルゴリズムを導入している。

ABSTRACT

In this paper, we propose a new dynamic IRS beamforming framework to boost the sum throughput of an intelligent reflecting surface (IRS) aided wireless powered communication network (WPCN). Specifically, the IRS phase-shift vectors across time and resource allocation are jointly optimized to enhance the efficiencies of both downlink wireless power transfer (DL WPT) and uplink wireless information transmission (UL WIT) between a hybrid access point (HAP) and multiple wirelessly powered devices. To this end, we first study three special cases of the dynamic IRS beamforming,namely user-adaptive IRS beamforming, UL-adaptive IRS beamforming, and static IRS beamforming,by characterizing their optimal performance relationships and proposing corresponding algorithms. Interestingly, it is rigorously proved that the latter two cases achieve the same throughput, thus helping halve the number of IRS phase shifts to be optimized and signalling overhead practically required for UL-adaptive IRS beamforming. Then, we propose a general optimization framework for dynamic IRS beamforming, which is applicable for any given number of IRS phase-shift vectors available. Despite of the non-convexity of the general problem with highly coupled optimization variables, we propose two algorithms to solve it and particularly, the low-complexity algorithm exploits the intrinsic structure of the optimal solution as well as the solutions to the cases with user-adaptive and static IRS beamforming. Simulation results validate our theoretical findings, illustrate the practical significance of IRS with dynamic beamforming for spectral and energy efficient WPCNs, and demonstrate the effectiveness of our proposed designs over various benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 長距離伝搬による信号減衰の影響により、無線駆動型IoTネットワークにおけるエネルギー効率およびスペクトル効率が低いという課題に対処すること。
• 時間的に変化する位相シフトとリソース割り当てを共同最適化する動的IRSビームフォーミング戦略を設計し、システムスルーレットを向上させること。
• UL適応型と静的ビームフォーミング戦略の等価性を証明することで、IRSを用いたWPCNsにおけるシグナリングオーバーヘッドを低減すること。
• 任意の数のIRS位相シフトベクトルに適用可能な一般的かつスケーラブルな最適化フレームワークを構築すること。

提案手法

• 時間スロットにわたるIRS位相シフトベクトルと時間／電力割り当てを共同最適化する、WPCNsにおける動的IRSビームフォーミングのための新規最適化フレームワークを提案。
• 特別な3つのケース（ユーザー適応型、UL適応型、静的IRSビームフォーミング）を分析し、それらの最適性能関係を導出。
• 数学的にUL適応型と静的IRSビームフォーミングが同一の合計スルーレットを達成することを証明し、最適化対象の位相シフト数を削減可能であることを示した。
• 非凸最適化問題を解く2つのアルゴリズムを開発：高精度な手法と、特別なケースからの構造的インサイトを活用した低複雑度アルゴリズム。
• Lemma 2（積と平方根を含む不等式）を用いて、合計スルーレット式を評価し、最適性条件を導出。
• 背理法を用いた証明により、同じユーザーに対して複数のIRS位相シフトベクトルを使用すると性能が劣化することを示し、1ユーザーあたり1つのベクトル使用が妥当であることを裏付けた。

Figure 1: An IRS-aided WPCN where the IRS is deployed to boost the efficiencies of both DL WPT and UL WIT.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的IRSビームフォーミングは、静的または適応的ベンチマークと比較して、IRSを用いたWPCNsにおける合計スルーレットを顕著に向上させることができるか？
• RQ2 到達可能な合計スルーレットという観点から、UL適応型と静的IRSビームフォーミングの間に理論的等価性が存在するか？
• RQ3 性能劣化を伴わずに、IRS位相シフトベクトルの数を削減可能であり、その条件は何か？
• RQ4 動的IRSビームフォーミングの非凸的かつ高次元に結合された最適化問題を、実用的に効率的に解く方法は何か？
• RQ5 スペクトル効率およびエネルギー効率を最大化する目的で、時間的に変化するIRS位相シフトベクトルの最適構造は何か？

主な発見

• UL適応型と静的IRSビームフォーミングが同一の合計スルーレットを達成することを証明し、異なるIRS位相シフトベクトルの数を半減可能であり、性能劣化なしに実現可能であることを示した。
• 動的IRSビームフォーミングの最適解では、各ユーザーが1つのみのIRS位相シフトベクトルを用いる必要がある。同じユーザーに複数のベクトルを使用すると性能が劣化するため、最適でない。
• 提案された低複雑度アルゴリズムは、静的およびユーザー適応型ビームフォーミングのケースから得られる構造的インサイトを活用し、近似的に最適な性能を達成している。
• シミュレーション結果により、提案フレームワークが、合計スルーレットおよびエネルギー効率の点で、ベンチマーク手法を顕著に上回ることが確認された。
• UL適応型と静的ビームフォーミングの等価性に関する理論的証明により、シグナリングオーバーヘッドが低減され、WPCNsにおける実用的IRS導入が簡素化された。

Figure 2: Then transmission protocol for the proposed WPCN with three IRS beamforming configurations.