[논문 리뷰] IRS-Aided WPCNs: A New Optimization Framework for Dynamic IRS Beamforming

Qingqing Wu, Xiaobo Zhou외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 무선에서 에너지를 공급받는 통신 네트워크(WPCNs)를 위한 새로운 동적 지능형 반사면(IRS) beamforming 프레임워크를 제안하며, 시간에 따라 IRS 위상 시프트와 자원 할당을 공동 최적화하여 총 전송률을 최대화한다. 상향 링크(UL)-적응형 및 정적 IRS beamforming이 동일한 성능를 달성함을 증명하여 상당한 신호 전송 오버헤드를 감소시키며, 실용적 구현을 위한 최적 해의 구조를 활용한 저복잡도 알고리즘을 제안한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a new dynamic IRS beamforming framework to boost the sum throughput of an intelligent reflecting surface (IRS) aided wireless powered communication network (WPCN). Specifically, the IRS phase-shift vectors across time and resource allocation are jointly optimized to enhance the efficiencies of both downlink wireless power transfer (DL WPT) and uplink wireless information transmission (UL WIT) between a hybrid access point (HAP) and multiple wirelessly powered devices. To this end, we first study three special cases of the dynamic IRS beamforming,namely user-adaptive IRS beamforming, UL-adaptive IRS beamforming, and static IRS beamforming,by characterizing their optimal performance relationships and proposing corresponding algorithms. Interestingly, it is rigorously proved that the latter two cases achieve the same throughput, thus helping halve the number of IRS phase shifts to be optimized and signalling overhead practically required for UL-adaptive IRS beamforming. Then, we propose a general optimization framework for dynamic IRS beamforming, which is applicable for any given number of IRS phase-shift vectors available. Despite of the non-convexity of the general problem with highly coupled optimization variables, we propose two algorithms to solve it and particularly, the low-complexity algorithm exploits the intrinsic structure of the optimal solution as well as the solutions to the cases with user-adaptive and static IRS beamforming. Simulation results validate our theoretical findings, illustrate the practical significance of IRS with dynamic beamforming for spectral and energy efficient WPCNs, and demonstrate the effectiveness of our proposed designs over various benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 장거리 신호 감쇠로 인한 낮은 에너지 및 스펙트럼 효율성 문제를 해결하기 위해.
• 시간에 따라 위상 시프트와 자원 할당을 공동 최적화하는 동적 IRS beamfoming 전략을 설계하여 시스템 전송률을 향상시키기 위해.
• UL-적응형과 정적 beamfoming 전략 간의 동등성을 증명하여 IRS 보조 WPCNs에서의 신호 전송 오버헤드를 감소시키기 위해.
• 어떠한 수의 IRS 위상 시프트 벡터에도 적용 가능한 일반적이고 확장 가능한 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 시간 슬롯에 걸쳐 IRS 위상 시프트 벡터와 시간/전력 할당을 공동 최적화하는 동적 IRS beamfoming을 위한 새로운 최적화 프레임워크를 제안한다.
• 세 가지 특수 케이스인 사용자-적응형, UL-적응형, 정적 IRS beamfoming을 분석하고, 각각의 최적 성능 관계를 유도한다.
• 수학적으로 UL-적응형 및 정적 IRS beamfoming이 동일한 총 전송률을 달성함을 증명하여 최적화할 위상 시프트 수를 줄일 수 있음을 보여준다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 두 가지 알고리즘을 개발한다: 고정밀도 방법과 특수 케이스의 구조적 통찰을 활용한 저복잡도 알고리즘.
• 레마 2(곱과 제곱근을 포함한 부등식)를 사용하여 총 전송률 표현을 한정하고 최적성 조건을 도출한다.
• 모순 기반 증명을 통해 동일한 사용자에게 여러 개의 IRS 위상 시프트 벡터를 사용할 경우 성능이 열 劣화됨을 보이며, 사용자당 하나의 벡터 사용이 타당함을 정당화한다.

Figure 1: An IRS-aided WPCN where the IRS is deployed to boost the efficiencies of both DL WPT and UL WIT.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 IRS beamfoming은 정적 또는 적응형 기준 대비 IRS 보조 WPCNs의 총 전송률을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 달성 가능한 총 전송률 측면에서 UL-적응형과 정적 IRS beamfoming 간 이론적 동등성이 존재하는가?
• RQ3 성능 손실 없이 IRS 위상 시프트 벡터의 수를 줄일 수 있으며, 만약 가능하면 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ4 동적 IRS beamfoming의 비볼록이고 고도로 결합된 최적화 문제는 실용적으로 어떻게 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 WPCNs에서 스펙트럼 및 에너지 효율성을 최대화하기 위해 시간에 따라 IRS 위상 시프트 벡터의 최적 구조는 무엇인가?

주요 결과

• UL-적응형 및 정적 IRS beamfoming이 동일한 총 전송률을 달성함을 증명하여, 서로 다른 IRS 위상 시프트 벡터의 수를 성능 저하 없이 반으로 줄일 수 있음을 보여준다.
• 동적 IRS beamfoming의 최적 해는 각 사용자가 오직 하나의 IRS 위상 시프트 벡터만 사용해야 함을 요구한다. 동일한 사용자에게 여러 개의 벡터를 사용할 경우 성능이 열 劣화됨을 보였다.
• 제안된 저복잡도 알고리즘은 정적 및 사용자-적응형 beamfoming 케이스에서의 구조적 통찰을 활용하여 근사 최적 성능를 달성한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 프레임워크가 총 전송률과 에너지 효율성 측면에서 벤치마크 방법보다 뚜렷이 뛰어남을 확인한다.
• UL-적응형과 정적 beamfoming 간의 이론적 동등성 증명은 신호 전송 오버헤드를 감소시키며, WPCNs에서 실용적인 IRS 구현을 단순화한다.

Figure 2: Then transmission protocol for the proposed WPCN with three IRS beamforming configurations.