[論文レビュー] IRS-Enhanced OFDM: Power Allocation and Passive Array Optimization

Yifei Yang, Shuowen Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、周波数選択的 fading 環境下における OFDM システムにおいて、基地局の連続的電力割り当てと知的反射表面（IRS）の受動ビームフォーミングを同時に最適化する反復的アルゴリズムを提案する。提案手法は、カスタム化された Cramér-Rao 下界（CRLB）に基づく初期化を用いて、送信電力と IRS の位相シフト／減衰係数を交互に最適化することで、高速な収束性と、特に高密度の IRS 要素数や強い反射路条件下で従来手法に比べ顕著なスループット向上を達成する近最適性能を実現する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising new technology for achieving spectrum and energy efficient wireless communication systems in the future. By adaptively varying the incident signals' phases/amplitudes and thereby establishing favorable channel responses through a large number of reconfigurable passive reflecting elements, IRS is able to enhance the communication performance of mobile users in its vicinity cost-effectively. In this paper, we study an IRS-enhanced orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system in which an IRS is deployed to assist the communication between a nearby user and its associated base station (BS). We aim to maximize the downlink achievable rate for the user by jointly optimizing the transmit power allocation at the BS and the passive array reflection coefficients at the IRS. Although the formulated problem is non-convex and thus difficult to solve, we propose an efficient algorithm to obtain a high-quality suboptimal solution for it, by alternately optimizing the BS's power allocation and the IRS's passive array coefficients in an iterative manner, along with a customized method for the initialization. Simulation results show that the proposed design significantly improves the OFDM link rate performance as compared to the cases without the IRS or with other heuristic IRS designs.

研究の動機と目的

• 周波数選択的 fading チャネル上における IRS を用いた OFDM システムの下行スループットを最大化する課題に対処すること。
• 基地局の送信電力割り当てと、非凸的かつ密接に結合された IRS の受動アレイ反射係数を同時に最適化すること。
• 収束が保証された反復的アルゴリズムを設計し、電力割り当てと IRS 反射係数を交互に最適化すること。
• 全反復アルゴリズムの性能に近づくが、反復回数を削減できるように、カスタム化された初期化手法（CPM を用いたもの）を設計すること。
• 本手法が、IRS を搭載しないシステムやヒューリスティックな IRS 係数選択を用いたシステムに比べて優れていることを示すこと。

提案手法

• 基地局の電力割り当てと IRS の受動アレイ係数を同時に最適化することで、下り行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。
• 電力割り当てと IRS 反射係数を交互に更新するアルゴリズムを提案し、局所最適解への単調収束を保証する。
• チャネル状態情報を利用し、Cramér-Rao 下界（CRLB）に基づく初期化手法を導入することで、IRS の位相シフトと振幅の初期値を改善し、収束速度を向上させる。
• 問題の非凸性に対処するため、ペナルティ法を用い、制約条件を目的関数内にペナルティ項として統合する。
• 各 IRS 係数更新のたびに、部分勾配に基づく手法を用いて電力割り当てサブプロブレムを効率的に解き、計算効率を確保する。
• チャネルの統計的性質に基づいて最適な IRS 反射係数を推定するカスタム初期化を適用し、反復回数を削減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数選択的チャネル上における IRS を用いた OFDM システムにおいて、連続的電力割り当てと IRS 受動ビームフォーミングをどのように最適化すれば、スループットを最大化できるか？
• RQ2 IRS 反射係数設計が、OFDM システムにおける直接路と反射路信号の建設的重畳に与える影響は何か？
• RQ3 低複雑性の初期化手法は、全反復アルゴリズムの性能に近づけるか？
• RQ4 IRS の反射素子数が、セルエッジ環境下でのスループット向上に与える影響は何か？
• RQ5 本手法は、IRS を搭載しないシステムや、ランダム位相の IRS 設定を用いたシステムに比べ、どの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• 提案された反復的アルゴリズムは、単調収束を示し、IRS を搭載しないシステムやヒューリスティックな IRS 設定を用いたシステムに比べ、顕著なスループット向上を達成する。
• CPM を用いた初期化手法では、109 回の反復を要するランダム位相初期化に比べ、21 回の反復で収束し、15 dB SNR 時に 1.0900 bps/Hz の同じ収束スループットを達成する。
• 15 dB SNR 時に、本手法はランダム位相ベンチマークに比べ 1.5 倍、IRS を搭載しないケースに比べ 2.3 倍のスループット向上を達成する。
• SNR が上昇するに従い、CPM 初期化と全反復アルゴリズムの性能差は縮小し、高 SNR 時には無視できるほど小さくなる。
• 20 個の IRS 素子を用いた場合、反射路対直接路電力比 α が 10 に達するまでに、ランダム位相方式に比べ 3.2 倍、IRS を搭載しないケースに比べ 4.1 倍のスループット向上を達成する。
• IRS 素子数 M が増加するに従い、スループットが上昇し、特に M が増加するにつれて、ランダム位相方式や IRS を搭載しないケースに比べた本手法の性能優位性が顕著になる。