[論文レビュー] Robust and Secure Sum-Rate Maximization for Multiuser MISO Downlink Systems with Self-sustainable IRS

Shaokang Hu, Zhiqiang Wei+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 61被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、無線信号からエネルギーを回収する自己持続型知能反射表面（IRS）を支援とする、マルチユーザーMISOダウンリンクシステムにおける耐障害性・高セキュリティなスルーレート最大化手法を提案する。逐次凸近似（SCA）アルゴリズムを用いてビームフォーミング、位相シフト、エネルギー回収スケジューリングを共同最適化することで、高いスペクトル効率を達成するとともに、IRSのエネルギー自立性を確保するが、大規模なIRSアパーチャーでは性能が飽和し、位相シフターの分解能が制限要因となる。

ABSTRACT

This paper investigates robust and secure multiuser multiple-input single-output (MISO) downlink communications assisted by a self-sustainable intelligent reflection surface (IRS), which can simultaneously reflect and harvest energy from the received signals. We study the joint design of beamformers at an access point (AP) and the phase shifts as well as the energy harvesting schedule at the IRS for maximizing the system sum-rate. The design is formulated as a non-convex optimization problem taking into account the wireless energy harvesting capability of IRS elements, secure communications, and the robustness against the impact of channel state information (CSI) imperfection. Subsequently, we propose a computationally-efficient iterative algorithm to obtain a suboptimal solution to the design problem. In each iteration, S-procedure and the successive convex approximation are adopted to handle the intermediate optimization problem. Our simulation results unveil that: 1) there is a non-trivial trade-off between the system sum-rate and the self-sustainability of the IRS; 2) the performance gain achieved by the proposed scheme is saturated with a large number of energy harvesting IRS elements; 3) an IRS equipped with small bit-resolution discrete phase shifters is sufficient to achieve a considerable system sum-rate of the ideal case with continuous phase shifts.

研究の動機と目的

• 6Gネットワークにおけるエネルギー集約的IRS展開の課題に対処し、RFエネルギー回収により自己持続性を実現すること。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）下でのマルチユーザーMISOダウンリンクシステムにおいて、ビームフォーミング、位相シフト、エネルギー回収スケジューリングを共同最適化すること。
• システム合計スルーレートを最大化するとともに、安全な通信とCSI不確実性に対するロバストネスを確保すること。
• 非凸最適化問題を解く計算効率の良い反復的アルゴリズムの設計こと。

提案手法

• 合計スルーレート最大化、安全な伝送、CSIのロバストネス、IRSのエネルギー回収制約を統合した非凸最適化問題を定式化する。
• Sプロシージャと逐次凸近似（SCA）を適用し、非凸制約を処理し、反復的に解を改善する。
• ラグランジュ双対性とカーシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて、ランク1構造を持つビームフォーミング解を導出する。
• エネルギー回収およびサービス品質制約の下で、ビームフォーマとIRS位相シフトを交互に最適化する反復的アルゴリズムを実装する。
• 離散的位相シフターを備えた受動的アレイとしてIRSをモデル化し、システムモデルにエネルギー回収効率を組み込む。
• ラグランジュ乗数と行列不等式を用いて干渉および機密性制約を処理するためのデュアル分解フレームワークを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー回収制約下で、システム合計スルーレートとIRSの自己持続性の間にはどのようなトレードオフが生じるか？
• RQ2 IRS素子数の増加が、合計スルーレートとエネルギー回収効率に与える性能向上にどのように影響するか？
• RQ3 連続的位相シフトと比較して、低分解能位相シフター（例：1ビット、2ビット、4ビット）が達成可能な合計スルーレートに与える影響は何か？
• RQ4 送信機における不完全なチャネル状態情報（CSI）下でも、提案手法はどの程度ロバストであるか？
• RQ5 外部電源なしで、自己持続型IRSは近似的に最適なスペクトル効率を達成できるか？

主な発見

• システム合計スルーレートとIRSの自己持続性の間に非自明なトレードオフが存在し、高いデータレートを達成するにはより多くのエネルギーが必要となり、自律性が制限される。
• 大規模なIRS素子数では性能向上が飽和し、ある特定のアパーチャーサイズを超えると利得が減少する。
• 低分解能（例：1〜4ビット）位相シフターを備えたIRSは、理想的な連続的位相シフトと比較して、合計スルーレート性能の大部分を達成する。
• 提案された反復的アルゴリズムは効率的に収束し、実用的妥当性の高い部分最適解を提供する。
• CSI不確実性を考慮したロバストビームフォーミング設計により、動的環境下でのシステム信頼性と機密性レートが顕著に向上する。
• ダウンリンク信号からのエネルギー回収により、外部電源なしで長期間にわたりIRSを運用可能とし、持続可能な6Gネットワークを実現できる。