[論文レビュー] Joint Beamforming Design and Power Splitting Optimization in IRS-Assisted SWIPT NOMA Networks

Zhendong Li, Wen Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 48被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、IRS支援型SWIPT-NOMAネットワークにおける共同最適化フレームワークを提案し、ビームフォーミング、パワー分岐比、インテリジェント反射表面（IRS）位相シフトを共同で最適化することで、基地局の送信電力を最小化する。半定値緩和（SDR）と逐次凸近似（SCA）を活用したアルゴリズムにより、非IRSネットワークと比較して送信電力を51.13%削減し、スケジューリング効率とエネルギー効率を顕著に向上させる。

ABSTRACT

This paper proposes a novel network framework of intelligent reflecting surface (IRS)-assisted simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) non-orthogonal multiple access (NOMA) networks, where IRS is used to enhance the NOMA performance and the wireless power transfer (WPT) efficiency of SWIPT. We formulate a problem of minimizing base station (BS) transmit power by jointly optimizing successive interference cancellation (SIC) decoding order, BS transmit beamforming vector, power splitting (PS) ratio and IRS phase shift while taking into account the quality-of-service (QoS) requirement and energy harvested threshold of each user. The formulated problem is non-convex optimization problem, which is difficult to solve it directly. Hence, a two-stage algorithm is proposed to solve the above-mentioned problem by applying semidefinite relaxation (SDR), Gaussian randomization and successive convex approximation (SCA). Specifically, after determining SIC decoding order by designing IRS phase shift in the first stage, we alternately optimize BS transmit beamforming vector, PS ratio, and IRS phase shift to minimize the BS transmit power. Numerical results validate the effectiveness of our proposed optimization algorithm in reducing BS transmit power compared to other baseline algorithms. Meanwhile, compared with non-IRS-assisted network, the IRS-assisted SWIPT NOMA network can decrease BS transmit power by 51.13\%.

研究の動機と目的

• エネルギー制約のあるデバイスを有する大量のIoTネットワークにおける低エネルギー効率および不良なカバレッジの課題に対処すること。
• インテリジェント反射表面（IRS）を統合することで、NOMAシステムにおけるスペクトル効率とエネルギー回収性能を向上させること。
• QoS制約およびエネルギー回収制約の下で、ビームフォーミング、パワー分岐比、IRS位相シフトを共同最適化すること。
• ユーザーのサービス品質（QoS）および最小エネルギー回収要件を満たしつつ、基地局の送信電力を最小化すること。

提案手法

• QoSおよびエネルギー回収制約の下で基地局送信電力を最小化する非凸最適化問題を定式化する。
• 2段階のアルゴリズムを適用：まず、IRS位相シフトを用いてSIC復調順序を最適化し、その後、反復的にビームフォーミング、パワー分岐比、位相シフトを最適化する。
• ビームフォーミング最適化におけるランク1制約を処理するために、半定値緩和（SDR）を用いる。
• 緩和されたSDR問題から妥当なビームフォーミング解を回復するために、ガウスノイズ乱数化を適用する。
• パワー分岐比およびSINR比を含む非凸制約を処理するために、逐次凸近似（SCA）を用いる。
• 現在の推定値まわりの1次テイラー展開を用いて、SINRおよびSIC制約を凸近似に変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSをどのように活用すれば、NOMAネットワークにおけるスペクトル効率とエネルギー回収性能の両方を向上させられるか？
• RQ2 基地局送信電力を最小化するための、ビームフォーミング、パワー分岐比、IRS位相シフトの最適な共同設計は何か？
• RQ3 提案されたアルゴリズムは、ベースライン手法と比較して、どの程度送信電力を削減できるか？
• RQ4 SWIPT-NOMAシステムにおいて、IRSはどの程度送信電力の必要量を削減できるか？

主な発見

• SDRおよびSCAに基づく2段階のアルゴリズムは、高い収束性と妥当性を有し、非凸最適化問題を効果的に解ける。
• 数値結果から、非IRS支援型SWIPT-NOMAネットワークと比較して、基地局送信電力を51.13%削減できることが示された。
• 送信電力最小化およびシステムエネルギー効率の観点で、アルゴリズムはベースライン手法を上回っている。
• IRSの統合により、すべてのユーザーにおける情報復調性能およびエネルギー回収性能が顕著に向上した。