[논문 리뷰] IRS-Enhanced OFDMA: Joint Resource Allocation and Passive Beamforming Optimization

Yifei Yang, Shuowen Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 17인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 IRS-강화 OFDMA 시스템을 위한 동적 수동 빔포밍 기법을 제안한다. 여기서 지능형 반사면(IR) 반사 계수는 시간슬롯에 따라 적응적으로 조정되어 수동 빔포밍 이득과 다중 사용자 다양성을 향상시킨다. 자원 블록, 전력 할당, 시간에 따라 변하는 IRS 위상 등을 공동 최적화함으로써, 이 기법은 고정 빔포밍 및 무작위 위상 설계보다 뛰어난 성능을 보이며, 특히 IRS 요소 수가 많을수록 유의미하게 향상된다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is an emerging technique to enhance the wireless communication spectral efficiency with low hardware and energy cost. In this letter, we consider the integration of IRS to an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) based multiuser downlink communication system, and study the pertinent joint optimization of the IRS reflection coefficients and OFDMA time-frequency resource block as well as power allocations to maximize the users' common (minimum) rate. Specifically, due to the lack of frequency-selective passive beamforming capability at the IRS, only one set of reflection coefficients can be designed for adapting to a large number of channels of multiple users over different frequency sub-bands. To tackle this difficulty, we propose a novel dynamic passive beamforming scheme where the IRS reflection coefficients are dynamically adjusted over different time slots within each channel coherence block to create artificial time-varying channels and select only a subset of the users to be simultaneously served in each time slot, thus achieving a higher passive beamforming gain. Although the formulated optimization problem is non-convex, we propose an efficient algorithm to obtain a suboptimal solution to it. Numerical results show that the proposed scheme significantly improves the system common rate over the setup without IRS and that with random IRS reflection coefficients. Moreover, our proposed dynamic passive beamforming outperforms the fixed passive beamforming which employs a common set of reflection coefficients in each channel coherence block, by more flexibly balancing between passive beamforming and multiuser diversity gains.

연구 동기 및 목표

• 주파수 선택성 없는 IRS 수동 빔포밍 문제를 다루며, 단일 반사 계수 집합이 주파수 서브밴드 전역에서 다수의 사용자에게 적용되는 다중 사용자 OFDMA 시스템에서의 과제를 해결한다.
• 시간-주파수 자원 블록, 전력 할당, IRS 반사 계수를 공동 최적화하여 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시킨다.
• 고정된 IRS 위상 이득의 한계를 극복하기 위해 시간슬롯에 따라 동적 빔포밍을 도입하여 인위적인 시간 변동 채널을 생성한다.
• IRS 보조 다중 사용자 다운링크 시스템에서 수동 빔포밍 이득과 다중 사용자 다양성 이득 사이의 트레이드오프를 균형 잡는다.
• 교대 최적화와 점진적 볼록 근사( Successive Convex Approximation, SCA)를 사용하여 비볼록 공동 최적화 문제를 효율적으로 해결하는 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 각 채널 일관성 블록 내에서 시간슬롯 단위로 IRS 반사 계수를 재구성함으로써, 변하는 사용자 채널 상태에 적응하는 동적 수동 빔포밍 기법을 도입한다.
• 단일 안테나 기지국, 다수의 단일 안테나 사용자, M개의 수동 반사 요소를 갖는 IRS를 포함하는 다중 사용자 OFDMA 다운링크 시스템으로 모델링한다.
• 비정적 블록 fading 채널 모델을 사용하고, 공통(최소) 사용자 신속도를 극대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 자원 블록, 전력 할당, IRS 반사 계수를 반복적으로 해결하기 위해 교대 최적화와 점진적 볼록 근사( Successive Convex Approximation, SCA)를 적용한다.
• 시간 분할 유사 스케줄링 전략을 구현하여, 맞춤형 위상 이득을 통해 빔포밍 이득을 높이기 위해 시간슬롯당 더 적은 수의 사용자를 서비스한다.
• BS가 IRS 제어기와 IRS 구성 정보를 교환하기 위한 제어 링크를 활용하여 실시간 위상 조정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간슬롯에 걸쳐 IRS 반사 계수를 동적으로 조정함으로써 다중 사용자 OFDMA 시스템의 시스템 스펙트럼 효율성이 향상되는가?
• RQ2 사용자 공정성과 공통 신속도 측면에서 동적 수동 빔포밍은 고정 또는 무작위 IRS 위상 설계보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 IRS 강화 OFDMA 시스템에서 수동 빔포밍 이득과 다중 사용자 다양성 이득 사이의 최적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ4 IRS 반사 요소의 수가 동적 빔포밍과 고정 빔포밍 간 성능 향상에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 자원 블록, 전력 할당, IRS 위상의 공동 최적화가 기준 설계 대비 유의미한 신속도 향상을 이끌 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 동적 수동 빔포밍 기법은 고정 수동 빔포밍 및 무작위 위상 설계보다 더 높은 공통 신속도를 달성하며, 특히 IRS 요소 수가 증가할수록 두드러진다.
• M=80개의 반사 요소를 사용할 경우, 동적 빔포밍 기법은 고정 빔포밍 대비 최대 40% 높은 공통 신속도 이득을 보이며, 뛰어난 빔포밍 이득 활용 능력을 입증한다.
• Random Phase II(시간슬롯당 무작위 위상)는 Random Phase I(고정된 무작위 위상)보다 우수한 성능을 보이며, 시간에 따라 변하는 무작위성이 다중 사용자 다양성을 향상시킨다는 것을 시사한다.
• 동적 빔포밍 하에서는 OFDMA 자원 블록 할당이 더 동적임을 확인할 수 있으며, 시간슬롯당 서비스되는 사용자 수가 줄어들어 고급 M에서 TDMA 유사 패턴에 가까워진다.
• 동적 빔포밍과 고정 빔포밍 간 성능 격차는 M이 증가함에 따라 커지며, 이는 빔포밍 이득이 지배적인 경우 동적 적응이 가장 유익함을 확인한다.
• 제안된 알고리즘은 몇 번의 반복 내에 안정적으로 수렴함을 확인하여 실시간 구현 가능성도 입증한다.