[論文レビュー] Joint Transmit and Reflective Beamforming Design for IRS-Assisted Multiuser MISO SWIPT Systems

Yizheng Tang, Ganggang Ma+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 16被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、情報検出（ID）受信機におけるSINR制約および送信パワー制限の下で、エネルギー効率（EH）受信機における最小受信電力を最大化することを目的とした、IRS支援型マルチユーザーMISO SWIPTシステムにおける共同アクティブ（送信）およびパッシブ（反射）ビームフォーミング設計を提案する。逐次最適化と半定値緩和（SDR）を用いることで、20〜30イテレーションで収束し、IRSなしまたは専用エネルギービームを用いないベンチマークと比較して顕著な性能向上を達成する。

ABSTRACT

This paper studies an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted multiuser multiple-input single-output (MISO) simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system. In this system, a multi-antenna access point (AP) uses transmit beamforming to send both information and energy signals to a set of receivers each for information decoding (ID) or energy harvesting (EH), and a dedicatedly deployed IRS properly controls its reflecting phase shifts to form passive reflection beams for facilitating both ID and EH at receivers. Under this setup, we jointly optimize the (active) information and energy transmit beamforming at the AP together with the (passive) reflective beamforming at the IRS, to maximize the minimum power received at all EH receivers, subject to individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints at ID receivers, and the maximum transmit power constraint at the AP. Although the formulated SINR-constrained min-energy maximization problem is highly non-convex, we present an efficient algorithm to obtain a high-quality solution by using the techniques of alternating optimization and semi-definite relaxation (SDR). Numerical results show that the proposed IRS-assisted SWIPT system with both information and energy signals achieves significant performance gains over benchmark schemes without IRS deployed and/or without dedicated energy signals used.

研究の動機と目的

• 受動的IRS反射を有するマルチユーザーMISO SWIPTシステムにおけるエネルギー効率（EH）と情報検出（ID）性能のバランスをとる課題に対処する。
• SINR制約およびパワー制約の下で、共同送信ビームフォーミングと反射ビームフォーミング最適化問題の非凸性を克服する。
• アクセスポイント（AP）における最大送信パワー制約および各ID受信機の個別SINR要件を満たしつつ、すべてのEH受信機における最小受信電力を最大化する。
• 従来のIRSなしまたは専用エネルギービームなしの手法と比較して、IRSと専用エネルギービームを導入したSWIPTシステムにおける性能向上を示す。

提案手法

• IRS支援型マルチユーザーMISO SWIPTシステムにおける、非凸なSINR制約付き最小エネルギー最大化問題を、共同アクティブおよびパッシブビームフォーミング設計として定式化する。
• 逐次最適化を適用し、APにおける送信ビームフォーミングベクトルとIRSにおける反射位相シフトを交互に最適化する。
• ビームフォーミング最適化における非凸なランク1制約を処理するために、半定値緩和（SDR）を用い、その後ガウスノイズを用いたランダム化により妥当な解を回復する。
• 問題を部分問題に分解し、固定されたIRS位相シフトの下で送信ビームフォーマーを最適化し、次に固定されたビームフォーマーの下でIRS位相シフトを最適化する。これを収束するまで繰り返す。
• APで既知の擬似ランダムシーケンスを用いることで、ID受信機がエネルギー信号からの干渉をキャンセル可能とする。
• 解が最大送信パワー制約および各ID受信機の個別SINR要件を満たすことを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援型マルチユーザーMISO SWIPTシステムにおけるアクティブ送信ビームフォーミングとパッシブ反射ビームフォーミングの共同設計は、EH性能をどのように向上させるか？
• RQ2 IRSを導入した場合、IRSなしのシステムと比較してEH受信機における最小受信電力にどのような影響を与えるか？
• RQ3 専用エネルギービームを用いることで、SWIPTシステムにおけるEHとID性能のトレードオフにどのような影響を与えるか？
• RQ4 提案されたアルゴリズムは、高い非凸性を持つ共同ビームフォーミング最適化問題を収束保証とともに効率的に解けるか？
• RQ5 SINRのしきい値や送信パワーのレベルを変化させた場合、提案されたIRS支援型SWIPTシステムの性能向上にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは20〜30イテレーションで収束し、高速な収束性と高いロバスト性を示した。
• 情報およびエネルギーの両方のビームを有するIRS支援型システムは、すべてのベンチマークと比較して顕著な性能向上を達成した。特に中程度のSINRしきい値において顕著であった。
• 情報ビームのみの手法と比較して、専用エネルギービームフォーミングはEH性能を著しく向上させた。特にSINRしきい値が中程度のとき顕著であった。
• 極めて低いまたは極めて高いSINRしきい値では、専用エネルギービームの利点が薄れ、性能のトレードオフが顕在化した。
• 提案された設計は、送信パワーの全範囲においてすべてのベンチマークを上回り、EH受信機における最小受信電力が送信パワーに比例して単調に増加した。
• IRSと専用エネルギービームを併用したシステムは、IRSなしまたはエネルギービームなしの手法よりも高い最小EH電力を達成した。これにより、最適性能を実現するには両方の要素が不可欠であることが確認された。