[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Aided MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

Cunhua Pan, Hong Ren외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 42인용 수 280

한 줄 요약

이 논문은 IRS-보조 SWIPT MIMO 시스템에서 활성 및 수동 빔포잉을 공동으로 설계하여 ERs의 에너지 수확을 보장하면서 가중 합계룰 최대화하는 것을 연구하고, WMMSE 재구성으로의 BCD 기반 알고리즘을 사용한다.

ABSTRACT

An intelligent reflecting surface (IRS) is invoked for enhancing the energy harvesting performance of a simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) aided system. Specifically, an IRS-assisted SWIPT system is considered, where a multi-antenna aided base station (BS) communicates with several multi-antenna assisted information receivers (IRs), while guaranteeing the energy harvesting requirement of the energy receivers (ERs). To maximize the weighted sum rate (WSR) of IRs, the transmit precoding (TPC) matrices of the BS and passive phase shift matrix of the IRS should be jointly optimized. To tackle this challenging optimization problem, we first adopt the classic block coordinate descent (BCD) algorithm for decoupling the original optimization problem into several subproblems and alternatively optimize the TPC matrices and the phase shift matrix. For each subproblem, we provide a low-complexity iterative algorithm, which is guaranteed to converge to the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) point of each subproblem. The BCD algorithm is rigorously proved to converge to the KKT point of the original problem. We also conceive a feasibility checking method to study its feasibility. Our extensive simulation results confirm that employing IRSs in SWIPT beneficially enhances the system performance and the proposed BCD algorithm converges rapidly, which is appealing for practical applications.

연구 동기 및 목표

• 에너지 수 receivers(ERs) 근처에 지능형 반사 표면(IRS)을 배치하여 에너지 효율적인 SWIPT를 가능하게 하고 동기를 부여한다.
• ER 에너지 제약이 있는 다중 사용자 MIMO 다운링크에서 IRS 보조 SWIPT의 가중 합률 최대화 문제를 형식화하고 해결한다.
• BS 전송 프리코더와 IRS 위상 시프트를 공동으로 최적화하기 위한 저복잡도, 수렴 알고리즘을 개발한다.
• IRS의 배치가 ER 작동 범위 연장과 IRs의 속도 향상에 미치는 가능성과 성능 이점을 평가한다.
• 채널 경로 손실 및 IRS 위치가 시스템 성능에 미치는 영향을 도출한다.]
• method':['BS 프레코딩과 IRS 위상 시프트의 동시 최적화를 가능하게 하는 가중 MMSE(WMMSE) 동등성으로 WSR 최적화를 재구성한다.','블록 좌표 하강법(BCD) 접근법을 적용하여 반복적으로 TPC 행렬과 IRS 위상 시프트 행렬을 최적화한다.','고정된 위상 시프트에서 SCA(연속 볼록 근사)와 라그랑지안 이중분해를 포함한 저복잡도 반복 방법으로 TPC 최적화를 해결하고 이중 변수에 대해 이분법 탐색을 수행한다.','고정된 TPC에 대해 MM(대주)과 가격 기반 방법을 사용한 비볼록 QCQP 형태의 위상 시프트 최적화를 해결하여 KKT 점 해를 얻는다.','각 부분문제 및 전체 BCD 알고리즘의 수렴을 KKT 점으로 보장하고, 타당성 확인 전략을 도입한다.']
• research_questions':['IRS 위상 시프트를 BS 전송 프리코딩과 함께 어떻게 설계하면 SWIPT MIMO 시스템에서 정보 수신기의 가중 합률을 극대화할 수 있는가?','ER의 에너지 수확 요구를 포함하면 IRS 보조 SWIPT 전송의 공동 설계와 가능성에 어떤 영향을 미치는가?','연계된 TPC와 위상 시프트 최적화 문제에 대해 KKT 점으로 안정적으로 수렴하는 저복잡도 알고리즘은 무엇인가?','ER 근처의 IRS 배치가 가능 운용 범위와 수확 에너지 성능에 어떤 영향을 미치는가?','채널 조건과 경로 손실 지수가 SWIPT 환경에서 IRS의 이점을 어떻게 좌우하는가?']
• key_findings':['SWIPT-MIMO 시스템에 IRS를 도입하면 에너지 수확 성능이 크게 향상되며 ER 작동 범위를 확장할 수 있다.','제안된 BCD 기반 알고리즘은 TPC와 위상 시프트 최적화의 공동 문제에 대해 KKT 점으로 빠르게 수렴한다.','WMMSE 재구성을 통해 문제를 분리하고 subproblem들을 SCA, MM, 이중 방법으로 해결하여 타당하고 효율적인 최적화 프레임워크를 얻는다.','EH 제약이 해를 제한할 수 있음을 확인하고, 문제 해결 가능성을 판단하는 전용 타당성 검사 방법이 필요하다.','시뮬레이션 결과 IRS-보조 SWIPT가 성능 이점을 제공하며 IRS 배치 및 경로 손실이 시스템 성능에 미치는 영향을 보여준다.']
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제안 방법

• BS 프리코딩과 IRS 위상 시프트의 동시 최적화를 가능하게 하는 가중 MMSE(WMMSE) 동등성으로 WSR 최적화를 재구성한다.
• 블록 좌표 하강법(BCD) 접근법을 적용하여 반복적으로 TPC 행렬과 IRS 위상 시프트 행렬을 최적화한다.
• 고정된 위상 시프트에서 SCA(연속 볼록 근사)와 Lagrangian dual decomposition을 포함한 저복잡도 반복 방법으로 TPC 최적화를 해결하고 듀얼 변수에 대한 이분법 탐색을 수행한다.
• 고정된 TPC에 대해 MM(대주)와 가격 기반 방법을 사용한 비컴팩트 QCQP 형태의 위상 시프트 최적화를 해결하여 KKT 점 해를 얻는다.
• 각 하위 문제와 전체 BCD 알고리즘의 수렴을 KKT 점으로 보장하고, 가용성 확인 전략을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 위상 시프트를 BS 전송 프리코딩과 함께 설계하여 SWIPT MIMO 시스템에서 정보 수신기의 가중 합률을 최대화할 수 있는 방법은?
• RQ2 ER의 에너지 수확 요구를 포함하는 것이 IRS 보조 SWIPT 전송의 공동 설계와 실행 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 결합된 TPC와 위상 시프트 최적화 문제에 대해 KKT 점으로 수렴하는 저복잡도 알고리즘은 무엇인가?
• RQ4 ER 근처에서의 IRS 배치가 가능한 운용 범위와 수확 에너지 성능에 어떤 영향을 주는가?
• RQ5 채널 조건과 경로 손실 지수가 SWIPT 환경에서 IRS의 이점을 어떻게 좌우하는가?

주요 결과

• SWIPT-MIMO 시스템에 IRS를 도입하면 에너지 수확 성능이 크게 향상되고 ER 작동 범위를 확장할 수 있다.
• 제안된 BCD 기반 알고리즘은 TPC와 위상 시프트 최적화의 공동 문제에 대해 KKT 점으로 빠르게 수렴한다.
• WMMSE 재구성을 통해 문제를 분리하고 SCA, MM, 듀얼 방법으로 하위 문제를 해결하여 타당하고 효율적인 최적화 프레임워크를 얻는다.
• EH 제약이 해를 제한할 수 있음을 확인하고, 문제 해결 가능성을 판단하는 전용 타당성 검사 방법이 필요하다.
• 시뮬레이션 결과 IRS-보조 SWIPT가 성능 이점을 제공하며 IRS 배치와 경로 손실이 시스템 성능에 미치는 영향을 보여준다.