[논문 리뷰] IRS-Assisted Wireless Powered NOMA: Do We Really Need Different Phase Shifts in DL and UL?

Qingqing Wu, Xiaobo Zhou외 1명|ArXiv.org|2021. 02. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 18인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 IRS 보조 무선 전력화 NOMA 네트워크에서 시간 할당과 지능형 반사 표면(IR) 위상 보정의 공동 최적화를 제안하며, 다운링크 에너지 전송과 업링크 정보 전송에 대해 서로 다른 위상 보정을 사용하는 동적빔포밍이 불필요하다는 것을 증명한다. 주요 기여는 두 단계에 동일한 위상 보정을 사용함으로써 설계를 단순화하고 오버헤드를 감소시키면서 성능 손실 없이 실현 가능하며, 공동 최적화 및 교차 최적화 알고리즘을 통해 상당한 성능 향상을 이룬다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising technology to improve the performance of wireless powered communication networks (WPCNs) due to its capability to reconfigure signal propagation environments via smart reflection. In particular, the high passive beamforming gain promised by IRS can significantly enhance the efficiency of both downlink wireless power transfer (DL WPT) and uplink wireless information transmission (UL WIT) in WPCNs. Although adopting different IRS phase shifts for DL WPT and UL WIT, i.e., dynamic IRS beamforming, is in principle possible but incurs additional signaling overhead and computational complexity, it is an open problem whether it is actually beneficial. To answer this question, we consider an IRS-assisted WPCN where multiple devices employ a hybrid access point (HAP) to first harvest energy and then transmit information using non-orthogonal multiple access (NOMA). Specifically, we aim to maximize the sum throughput of all devices by jointly optimizing the IRS phase shifts and the resource allocation. To this end, we first prove that dynamic IRS beamforming is not needed for the considered system, which helps reduce the number of IRS phase shifts to be optimized. Then, we propose both joint and alternating optimization based algorithms to solve the resulting problem. Simulation results demonstrate the effectiveness of our proposed designs over benchmark schemes and also provide useful insights into the importance of IRS for realizing spectrally and energy efficient WPCNs.

연구 동기 및 목표

• IRS 보조 무선 전력화 NOMA 네트워크에서 동적 IRS 빔포밍이 성능 향상에 기여하는지 여부에 대한 열린 문제를 해결하기 위해.
• 시간 할당과 IRS 수동 빔포밍을 공동으로 최적화하여 다수 장치의 합성 통과량을 최대화하기 위해.
• 다운링크 및 업링크에서 서로 다른 위상 보정이 필요 없도록 함으로써 신호 전송 오버헤드와 계산 복잡도를 감소시키기 위해.
• 시스템 설계를 위한 저복잡도 실용적 알고리즘—공동 최적화 및 교차 최적화—을 개발하기 위해.
• IRS가 WPCN에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키는 데 수행하는 역할에 대한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다운링크 및 업링크에 동일한 IRS 위상 보정이 최적임을 증명하여 동적 빔포밍의 필요성을 제거한다.
• 서비스 품질 및 에너지 수확 제약 조건 하에서 합성 통과량을 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 랭크-1 제약 조건을 처리하기 위해 정규화된 준정방형 프로그래밍(SDR)과 가우시안 랜덤화를 사용하는 공동 최적화 알고리즘을 제안한다.
• 시간 할당과 위상 보정에 대해 닫힌 형태의 해를 갖는 교차 최적화 알고리즘을 개발하여 복잡도를 감소시킨다.
• 최적화 프레임워크 내에서 랭크 제약 조건을 처리하기 위해 페널티 방법을 사용한다.
• 고정된 위상 보정, 고정된 시간 할당, 또는 IRS 없음과 비교한 시뮬레이션을 통해 설계를 검증한다.

Figure 1: An IRS-assisted WPCN employing NOMA for UL WIT.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다운링크와 업링크에서 서로 다른 위상 보정을 사용하는 동적 IRS 빔포밍이 실제로 IRS 보조 무선 전력화 NOMA 네트워크의 성능 향상에 기여하는가?
• RQ2 다운링크 무선 전력 전송과 업링크 정보 전송에 동일한 IRS 위상 보정을 사용할 경우 성능 저하 없이 가능할 수 있는가?
• RQ3 IRS 도입이 NOMA를 갖는 WPCN에서 시스템 통과량과 에너지 소비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 IRS 요소의 수가 최적의 시간 할당과 장치에서 수확된 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 저복잡도 교차 최적화 알고리즘이 공동 최적화 대비 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 고려된 IRS 보조 WPCN에서 NOMA를 사용할 경우 동적 IRS 빔포밍은 시스템 성능 향상에 기여하지 않으며, 다운링크 및 업링크에 동일한 위상 보정을 사용하는 것이 최적임을 입증한다.
• 제안된 교차 최적화 알고리즘이 공동 최적화 기준 대비 거의 동일한 통과량을 달성하여 저복잡도 실용적 솔루션으로서의 잠재력을 지닌다.
• IRS 요소의 수가 증가할수록 최적의 다운링크 WPT 시간 τ₀가 감소하며, HAP의 에너지 소비는 감소하지만 장치의 에너지 수확은 유지되거나 향상된다.
• IRS 요소 수가 증가할수록 시간 할당과 위상 보정을 모두 최적화한 경우 벤치마크 대비 합성 통과량 향상 폭이 커지며, 특히 이는 두 가지 최적화가 동시에 이루어질 경우 뚜렷하다.
• IRS 크기가 커질수록 효과적인 채널 이득 향상 덕분에 장치에서 수확된 에너지가 증가하지만, WPT 시간은 단축된다.
• IRS 크기가 커질수록 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 동시에 향상시키는 '이중 이득'을 달성한다.

Figure 2: Simulation setup.