[논문 리뷰] IRS-Enhanced OFDM: Power Allocation and Passive Array Optimization

Yifei Yang, Shuowen Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 주파수 선택적 fading 채널에서 IRS를 통한 다운링크 신뢰도 향상을 위해 기지국의 동시 전력 할당과 스마트 반사 표면(IR)의 수동 beamforming 최적화를 동시에 수행하는 반복 알고리즘을 제안한다. 전력 할당과 IRS 위상 이동/감쇠 계수를 교차 최적화하고, 맞춤형 Cramér-Rao 하한 기반 초기화를 통해 빠른 수렴과 기존 설계 대비 뚜렷한 신뢰도 향상을 달성하며, 특히 고밀도 IRS 요소 또는 강한 반사 링크 조건에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising new technology for achieving spectrum and energy efficient wireless communication systems in the future. By adaptively varying the incident signals' phases/amplitudes and thereby establishing favorable channel responses through a large number of reconfigurable passive reflecting elements, IRS is able to enhance the communication performance of mobile users in its vicinity cost-effectively. In this paper, we study an IRS-enhanced orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system in which an IRS is deployed to assist the communication between a nearby user and its associated base station (BS). We aim to maximize the downlink achievable rate for the user by jointly optimizing the transmit power allocation at the BS and the passive array reflection coefficients at the IRS. Although the formulated problem is non-convex and thus difficult to solve, we propose an efficient algorithm to obtain a high-quality suboptimal solution for it, by alternately optimizing the BS's power allocation and the IRS's passive array coefficients in an iterative manner, along with a customized method for the initialization. Simulation results show that the proposed design significantly improves the OFDM link rate performance as compared to the cases without the IRS or with other heuristic IRS designs.

연구 동기 및 목표

• 주파수 선택적 fading 채널에서 IRS를 강화한 OFDM 시스템의 다운링크 신뢰도를 최대화하는 문제를 해결하기 위해.
• 기지국의 전송 전력 할당과 IRS 수동 어레이 반사 계수를 동시에 최적화하여 상호 연관되어 있고 비볼록인 문제를 해결하기 위해.
• 수렴 보장이 보장된 반복적 알고리즘을 설계하여 전력 할당과 IRS 반사 계수를 번갈아 최적화하기 위해.
• 전체 반복 알고리즘 성능에 가까운 수렴 속도 향상을 위해 채널 상태 정보를 활용한 CRLB 기반의 맞춤형 초기화 방법을 개발하기 위해.
• IRS가 없는 시스템이나 히وري스틱 IRS 계수 선택 방식을 사용하는 시스템 대비 제안된 설계의 우수성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 기지국의 전력 할당과 IRS 수동 어레이 계수를 동시에 최적화하여 다운링크 신뢰도를 최대화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 전력 할당과 IRS 반사 계수를 번갈아 업데이트하는 교차 최적화 알고리즘을 제안하며, 국소 최적해로 단조 수렴을 보장한다.
• 채널 상태 정보를 활용하여 채널의 통계적 성질을 기반으로 Cramér-Rao 하한(CRLB) 기반 초기화 방법을 도입하여 수렴 속도를 향상시킨다.
• 문제의 비볼록성을 처리하기 위해 페널티 방법을 사용하여 제약 조건을 목적 함수에 페널티 항으로 변환한다.
• 각 IRS 계수 업데이트 시 전력 할당 하위 문제를 해결하기 위해 서브기울기 기반 방법을 사용하여 계산 효율성을 확보한다.
• 채널의 통계적 특성을 기반으로 최적의 IRS 반사 계수를 추정하는 맞춤형 초기화를 적용하여 반복 횟수를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 선택적 채널에서 IRS를 강화한 OFDM 시스템의 다운링크 신뢰도를 최대화하기 위해 전력 할당과 IRS 수동 beamforming을 어떻게 동시에 최적화할 수 있는가?
• RQ2 IRS 반사 계수 설계가 OFDM 시스템에서 직접 경로와 반사 경로 신호의 건설적 초월에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 저복잡도 초기화 방법이 전체 반복 알고리즘 성능에 근접한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 IRS 반사 요소의 수가 셀 엔드 시나리오에서 신뢰도 향상에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 제안된 방법은 IRS가 없는 시스템이나 무작위 위상 IRS 설계를 사용하는 시스템 대비 어떤 성능 향상을 보이는가?

주요 결과

• 제안된 반복 알고리즘은 단조 수렴을 보이며, IRS가 없는 시스템이나 히وري스틱 IRS 설계를 사용하는 시스템 대비 뚜렷한 신뢰도 향상을 달성한다.
• CPM 기반 초기화 방법은 21회 반복 내에 수렴하며, 무작위 위상 초기화 대비 109회 수렴에 비해 동일한 수렴된 신뢰도 1.0900 bps/Hz를 15 dB SNR에서 달성한다.
• 15 dB SNR에서 제안된 방법은 무작위 위상 기준 1.5배 높은 신뢰도를 달성하고, IRS가 없는 경우 대비 2.3배 높은 성능을 보인다.
• CPM 기반 초기화와 전체 반복 알고리즘 간의 성능 격차는 신호 대 잡음비(SNR)가 증가함에 따라 감소하며, 고SNR에서 거의 없어진다.
• 20개의 IRS 요소를 사용할 경우, 반사 경로 대 직접 경로 전력 비율 α가 10으로 증가함에 따라 제안된 방법은 무작위 위상 설계 대비 3.2배 높은 신뢰도 향상을, IRS가 없는 경우 대비 4.1배 높은 성능 향상을 기록한다.
• IRS 요소 수 M이 증가할수록 신뢰도가 증가하며, M이 증가함에 따라 무작위 위상 설계 및 IRS가 없는 경우 대비 제안된 방법의 성능 향상이 더욱 두드러진다.