[論文レビュー] Joint Active and Passive Beamforming Optimization for Intelligent Reflecting Surface Assisted SWIPT under QoS Constraints

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 32被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、個々のサービス品質（QoS）制約下でアクセスポイント（AP）の送信電力を最小化することを目的とした、知能反射表面（IRS）支援型同時無線情報・電力伝送（SWIPT）システムにおける共同アクティブおよびパasiveビームフォーミング最適化フレームワークを提案する。ペナルティに基づく反復的アルゴリズムと低複雑度の並列位相シフト最適化を活用することで、特にエネルギー受信者に近接してIRSを配置することで専用エネルギービームの必要性を低減できるため、顕著な電力節約が達成され、SWIPT性能が向上する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a new and revolutionizing technology for achieving spectrum and energy efficient wireless networks. By leveraging massive low-cost passive elements that are able to reflect radio-frequency (RF) signals with adjustable phase shifts, IRS can achieve high passive beamforming gains, which are particularly appealing for improving the efficiency of RF-based wireless power transfer. Motivated by the above, we study in the paper an IRS-assisted simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system. Specifically, a set of IRSs are deployed to assist in the information/power transfer from a multi-antenna access point (AP) to multiple single-antenna information users (IUs) and energy users (EUs), respectively. We aim to minimize the transmit power at the AP via jointly optimizing its transmit precoders and the reflect phase shifts at all IRSs, subject to the quality-of-service (QoS) constraints at all users, namely, the individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints at IUs and energy harvesting constraints at EUs. However, this optimization problem is non-convex with intricately coupled variables, for which the existing alternating optimization approach is shown to be inefficient as the number of QoS constraints increases. To tackle this challenge, we first apply proper transformations on the QoS constraints and then propose an efficient iterative algorithm by applying the penalty-based method. Moreover, by exploiting the short-range coverage of IRSs, we further propose a low-complexity algorithm by optimizing the phase shifts of all IRSs in parallel.

研究の動機と目的

• 情報およびエネルギー受信者に対する個別QoS制約下で、IRS支援型SWIPTシステムにおけるマルチアンテナアクセスポイント（AP）の送信電力を最小化すること。
• APの送信プリコーディングとIRSの反射位相シフトを共同最適化することで、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させること。
• SINRおよびエネルギー効率収集制約に起因する非凸的かつ複雑に結合された最適化問題に対処すること。
• 従来の交互最適化の限界を克服し、増加するQoS制約数に応じてスケーラブルな効率的アルゴリズムを開発すること。
• IRSの配置場所および構成がビームフォーミング設計およびシステム性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 非凸的QoS制約をペナルティに基づく定式化に変換し、反復的最適化を可能にする。
• アクティブ（APプリコーディング）とパasive（IRS位相シフト）ビームフォーミングを共同最適化するため、交互ペナルティベースのアルゴリズムを適用する。
• IRSの短距離カバレッジ特性を活用して、計算負荷を低減する低複雑度の並列最適化手法を導入する。
• ビームフォーミング設計問題における結合された変数を解離するために適切な変数変換を用いる。
• 離散位相シフトを扱えるようにアルゴリズムを拡張することで、実用的なハードウェア制約をサポートする。
• マルチ-IRS環境における空間多重性の利点を評価するため、IRS-APリンクにレイリー fadingチャネルモデルを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援型SWIPTシステムにおいて、個別QoS制約下でAP送信電力を最小化するために、共同アクティブおよびパasiveビームフォーミングをどのように最適化できるか？
• RQ2 従来の専用エネルギービームフォーミングと比較して、エネルギー受信者に近接してIRSを配置した場合の性能向上はどの程度か？
• RQ3 情報受信者の数の増加が、システムの送信電力およびビームフォーミング設計の複雑さに与える影響は何か？
• RQ4 低複雑度の並列位相シフト最適化手法は、計算コストを大幅に削減しつつ、近似的最適性能を達成できるか？
• RQ5 異なる構成を持つ複数のIRSを配置した場合、システム性能およびエネルギー効率にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ペナルティベースのアルゴリズムは、ベンチマーク手法を著しく上回り、QoS制約下でのAP送信電力最小化において最良の性能を達成する。
• エネルギー受信者に近接してIRSを配置することで、専用エネルギービームの必要性が低減され、エネルギー信号キャンセレーションを要しないより単純なビームフォーミング設計が可能になる。
• 情報受信者の数が増加すると、システムは干渉制限にさらになりやすくなり、エネルギー受信者に近接してIRSを配置した場合の相対的性能向上が低下する。
• 低複雑度の並列アルゴリズムは、非IRSおよび固定位相シフトIRS方式と比較して顕著な性能向上を達成しており、最適ペナルティベース手法と比較して僅かな性能損失にとどまる。
• シミュレーション結果から、IRSの配置によりWPTの範囲が拡大され、特にエネルギー受信者クラスタに近接して配置された場合に送信電力が顕著に低減することが示された。
• システムは顕著な送信電力の節約を達成しており、特にIRSがエネルギー受信者ホットスポットに配置されている場合、高いQoS要件（例：高いSINRおよびRF電力目標）下で性能向上が顕著に増大する。