[論文レビュー] Joint Design of Transmit Beamforming, IRS Platform, and Power Splitting SWIPT Receivers for Downlink Cellular Multiuser MISO

Shayan Zargari, Shahrokh Farahmand+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 27被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、下行マルチユーザMISOシステムにおける送信ビームフォーミング、インテリジェント反射表面（IRS）の位相シフト、およびパワー スプリッティング比の共同最適化を提案し、個々のデータレートおよびエネルギー回収のQoS制約を満たす中で、基地局（BS）の送信電力を最小化することを目的としている。最適性能を得るためのブロック座標降下法（BCD）と、スケーラビリティを高めるためにMRT/ZFに基づく低複雑度の部分最適アルゴリズムを用い、シミュレーションにより50個のIRS要素を用いることで最大12 dBwの電力削減が達成された。また、部分最適設計は、わずかなIRSサイズでさえも、非IRSシステムのグローバル最適解を上回る性能を示した。

ABSTRACT

A multiple antenna base station (BS) with an intelligent reflecting surface (IRS) platform, and several single antenna users are considered in the downlink mode. Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) is utilized by the BS via transmit beamforming to convey information and power to all devices. Each device applies power splitting (PS) to dedicate separate parts of received power to information decoding and energy harvesting. We formulate a total transmit power minimization problem to jointly design the BS beamforming vectors, IRS phase shifts, and PS ratios at the receivers subject to minimum rate and harvested energy quality of service (QoS) constraints at all the receivers. First, we develop a block coordinate descent algorithm, also known as alternating optimization that can decrease the objective function with every iteration with guaranteed convergence. Afterwards, two low-complexity sub-optimal algorithms that rely on well-known maximum ratio transmission and zero-forcing beamforming techniques are introduced. These algorithms are beneficial when the number of BS antennas and/or number of users are large, or coherence times of channels are small. Simulations corroborate the expectation that by deploying a passive IRS, BS power can be reduced by $10-20$ dBw while maintaining similar guaranteed QoS. Furthermore, even the proposed sub-optimal algorithms outperform the globally optimal SWIPT solution without IRS for a modest number of IRS elements.

研究の動機と目的

• 同時無線情報および電力伝送（SWIPT）を伴う下行マルチユーザMISOシステムにおける総送信電力の最小化を目的とする。
• 個々のデータレートおよびエネルギー回収のQoS制約の下で、送信ビームフォーミングベクトル、IRS位相シフト、受信側パワー スプリッティング比を共同最適化することを目的とする。
• 大規模システムや短いコherence時間に適した低複雑度部分最適解の開発を目的とする。

提案手法

• 最小データレートおよび各ユーザーごとの最小エネルギー回収量に関する制約を含む、総送信電力最小化問題を定式化する。
• 逐次的にビームフォーミング、IRS位相シフト、パワー スプリッティング比を最適化するため、ブロック座標降下法（BCD）を適用し、単調減少と収束を保証する。
• 計算量を低減するため、最大比伝送（MRT）およびゼロフォーリング（ZF）ビームフォーミングに基づく2つの部分最適アルゴリズムを提案する。
• 最適化問題における非凸制約を扱うために、半定値緩和（SDR）を用いる。
• 現実的な伝搬モデルを実現するため、ライン・オブ・サイト（LOS）および非LOS成分を有するRician fadingチャネルモデルを採用する。
• 最適設計を実現するため、BSおよびIRSコントローラーに完全なチャネル状態情報（CSI）を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビームフォーミング、IRS位相シフト、パワー スプリッティング比の共同最適化は、マルチユーザMISO SWIPTシステムにおける基地局の送信電力を低減できるか？
• RQ2 提案されたBCDアルゴリズムの性能は、IRSを備えないグローバル最適解と比べてどのように異なるか？
• RQ3 MRTおよびZFに基づく部分最適設計は、非IRS SWIPTシステムと比較して、どの程度システム性能を向上させるか？
• RQ4 IRS要素数の増加が送信電力の低減に与える影響は何か？
• RQ5 低複雑度ビームフォーミング方式は、IRS支援システムにおいてグローバル最適解を上回る性能を発揮できるか？

主な発見

• 50個のIRS要素を用いる場合、提案されたBCDアルゴリズムは非IRS最適解と比較して12 dBwの送信電力削減を達成した。
• わずかな数のIRS要素であっても、部分最適なMRTおよびZFベースの設計は、非IRSのグローバル最適SWIPT解を上回る性能を示した。
• BSアンテナ数およびIRS要素数の増加に伴い送信電力が低下し、スケーラビリティが裏付けられた。
• 低SINR領域ではBCD解が部分最適設計よりも顕著に低い送信電力を達成したが、高SINR領域では性能差が小さくなった。
• IRSの導入により、アンテナ数が少ないBSでもマスィブMIMOシステムと同等の性能を達成でき、送信電力を顕著に低減できた。