[論文レビュー] IRS-Assisted Wireless Powered NOMA: Do We Really Need Different Phase Shifts in DL and UL?

Qingqing Wu, Xiaobo Zhou+1 more|ArXiv.org|Feb 17, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、NOMAを用いたIRS支援型無線駆動ネットワークにおける時間割当とインテリジェント反射表面（IRS）位相シフトの共同最適化を提案し、ダウンリンクでのエネルギー伝送とアップリンクでの情報伝送に異なる位相シフトを用いる動的ビームフォーミングが不要であることを証明している。主な貢献は、両フェーズに同一の位相シフトを用いることで、設計を単純化し、オーバーヘッドを低減しても性能に損失がないことである。これにより、顕著な性能向上を達成するための共同および交互最適化アルゴリズムを用いた効率的な合計スループット最大化が可能になる。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising technology to improve the performance of wireless powered communication networks (WPCNs) due to its capability to reconfigure signal propagation environments via smart reflection. In particular, the high passive beamforming gain promised by IRS can significantly enhance the efficiency of both downlink wireless power transfer (DL WPT) and uplink wireless information transmission (UL WIT) in WPCNs. Although adopting different IRS phase shifts for DL WPT and UL WIT, i.e., dynamic IRS beamforming, is in principle possible but incurs additional signaling overhead and computational complexity, it is an open problem whether it is actually beneficial. To answer this question, we consider an IRS-assisted WPCN where multiple devices employ a hybrid access point (HAP) to first harvest energy and then transmit information using non-orthogonal multiple access (NOMA). Specifically, we aim to maximize the sum throughput of all devices by jointly optimizing the IRS phase shifts and the resource allocation. To this end, we first prove that dynamic IRS beamforming is not needed for the considered system, which helps reduce the number of IRS phase shifts to be optimized. Then, we propose both joint and alternating optimization based algorithms to solve the resulting problem. Simulation results demonstrate the effectiveness of our proposed designs over benchmark schemes and also provide useful insights into the importance of IRS for realizing spectrally and energy efficient WPCNs.

研究の動機と目的

• IRS支援型無線駆動NOMAネットワークにおける動的IRSビームフォーミングが性能を向上させるかどうかという未解決問題に取り組む。
• 時間割当とIRSの受動的ビームフォーミングを共同最適化することで、複数デバイスの合計スループットを最大化する。
• ダウンリンクとアップリンクにおける異なる位相シフトの必要性を排除することで、信号伝送のオーバーヘッドと計算複雑性を低減する。
• システム設計のための低複雑性で実用的なアルゴリズム（共同最適化および交互最適化）を開発する。
• IRSがWPCNにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率の向上に果たす役割についての知見を提供する。

提案手法

• ダウンリンクとアップリンクに同一のIRS位相シフトが最適であり、動的ビームフォーミングの必要がないことを証明する。
• サービス品質制約およびエネルギー効率制約の下で合計スループットを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• ランク1制約を扱うために、半定値緩和（SDR）とガウスノイズ乱数化を用いた共同最適化アルゴリズムを提案する。
• 時間割当と位相シフトの両方について閉形式解を有する交互最適化アルゴリズムを構築し、計算複雑性を低減する。
• 最適化フレームワーク内でのランク制約を処理するためにペナルティ法を用いる。
• 固定位相シフト、固定時間割当、およびIRSなしのベンチマークと比較したシミュレーションを通じて、提案手法の有効性を検証する。

Figure 1: An IRS-assisted WPCN employing NOMA for UL WIT.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダウンリンクとアップリンクで異なる位相シフトを用いる動的IRSビームフォーミングは、IRS支援型無線駆動NOMAネットワークにおいて実際に性能向上に寄与するのか？
• RQ2 ダウンリンクでの無線パワー伝送とアップリンクでの情報伝送に同一のIRS位相シフトを用いることで、性能劣化が生じないのか？
• RQ3 NOMAを用いたWPCNにおけるIRSの導入が、システムスループットおよびエネルギー消費に与える影響は何か？
• RQ4 IRS素子数が増加する場合、最適な時間割当およびデバイスでの受信エネルギーにどのような影響を与えるか？
• RQ5 低複雑性の交互最適化は、共同最適化と比較して近似的に最適な性能を達成できるか？

主な発見

• 検討されたIRS支援型WPCNにおけるNOMA環境では、動的IRSビームフォーミングがシステム性能を向上させないことが判明し、ダウンリンクとアップリンクに同一の位相シフトを用いることが最適である。
• 提案された交互最適化アルゴリズムは、共同最適化ベンチマークとほぼ同等のスループットを達成でき、低複雑性の実用的ソリューションとして有効である。
• IRS素子数が増加するにつれて、最適なダウンリンクWPT時間τ₀は減少し、HAPのエネルギー消費が低減される一方で、デバイスのエネルギー収集性能は維持または向上する。
• IRS素子数が増加するほど、時間割当と位相シフトを両方最適化した場合のベンチマーク手法に対する合計スループットの向上が顕著に増加する。
• IRSサイズが大きくなるに従い、有効チャネル利得が向上するため、WPT時間の短縮にもかかわらず、デバイスでの受信エネルギーは増加する。
• IRSサイズが増加するに従い、スペクトル効率およびエネルギー効率の両方を向上させる「二重利得」を達成できる。

Figure 2: Simulation setup.