[논문 리뷰] Joint Beamforming Design and Power Splitting Optimization in IRS-Assisted SWIPT NOMA Networks

Zhendong Li, Wen Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 30.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 48인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 IRS를 지원하는 SWIPT-NOMA 네트워크를 위한 공동 최적화 프레임워크를 제안하며, 전송 부하를 최소화하기 위해 비례 조절, 전력 분할 비율, 지능형 반사 표면(IR)의 위상 각도를 함께 설계한다. 준정수 프로그래밍과 순차적 볼록 근사화 기법을 활용하여, 비-IRS 네트워크 대비 전송 전력을 51.13% 감소시켰으며, 이는 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 향상에 크게 기여한다.

ABSTRACT

This paper proposes a novel network framework of intelligent reflecting surface (IRS)-assisted simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) non-orthogonal multiple access (NOMA) networks, where IRS is used to enhance the NOMA performance and the wireless power transfer (WPT) efficiency of SWIPT. We formulate a problem of minimizing base station (BS) transmit power by jointly optimizing successive interference cancellation (SIC) decoding order, BS transmit beamforming vector, power splitting (PS) ratio and IRS phase shift while taking into account the quality-of-service (QoS) requirement and energy harvested threshold of each user. The formulated problem is non-convex optimization problem, which is difficult to solve it directly. Hence, a two-stage algorithm is proposed to solve the above-mentioned problem by applying semidefinite relaxation (SDR), Gaussian randomization and successive convex approximation (SCA). Specifically, after determining SIC decoding order by designing IRS phase shift in the first stage, we alternately optimize BS transmit beamforming vector, PS ratio, and IRS phase shift to minimize the BS transmit power. Numerical results validate the effectiveness of our proposed optimization algorithm in reducing BS transmit power compared to other baseline algorithms. Meanwhile, compared with non-IRS-assisted network, the IRS-assisted SWIPT NOMA network can decrease BS transmit power by 51.13\%.

연구 동기 및 목표

• 에너지 제약이 있는 장치를 포함한 대규모 IoT 네트워크에서 낮은 에너지 효율성과 열악한 커버리지 문제를 해결하기 위해.
• 지능형 반사 표면(IR)을 통합하여 NOMA 시스템의 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 성능을 향상시키기 위해.
• QoS 및 에너지 수확 제약 조건 하에서 비례 조절, 전력 분할 비율, IRS 위상 각도를 공동으로 최적화하기 위해.
• 사용자 품질보장(QoS) 및 최소 에너지 수확 요구사항을 충족시키면서 기지국(BS)의 전송 전력을 최소화하기 위해.

제안 방법

• QoS 및 에너지 수확 제약 조건 하에서 BS 전송 전력을 최소화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 이중 단계 알고리즘을 적용: 첫 번째 단계에서는 IRS 위상 각도를 통해 SIC 디코딩 순서를 최적화하고, 두 번째 단계에서는 반복적으로 비례 조절, 전력 분할 비율, 위상 각도를 정밀 조정한다.
• 비례 조절 최적화에서 질량 차수 제약 조건을 다루기 위해 준정수 프로그래밍(SDR)을 사용한다.
• 이완된 SDR 문제로부터 타당한 비례 조절 해를 복원하기 위해 가우시안 랜덤화 기법을 적용한다.
• 전력 분할 비율 및 신호 대 간섭 비율(SINR) 비율을 포함한 비볼록 제약 조건을 다루기 위해 순차적 볼록 근사화(SCA) 기법을 활용한다.
• 현재 추정치 주변에서 일阶 테일러 전개를 사용하여 SINR 및 SIC 제약 조건을 볼록 근사로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS는 어떻게 NOMA 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 에너지 수확 성능을 동시에 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 BS 전송 전력을 최소화하기 위해 비례 조절, 전력 분할 비율, IRS 위상 각도를 최적의 방식으로 공동 설계할 수 있는가?
• RQ3 제안된 알고리즘이 기준 대비 기준 기반 기법 대비 전송 전력 감소 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 IRS는 SWIPT-NOMA 시스템에서 요구되는 전송 전력을 어느 정도까지 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• SDR와 SCA를 기반으로 한 이중 단계 알고리즘이 비볼록 최적화 문제를 높은 수렴성과 타당성으로 효과적으로 해결한다.
• 수치 결과는 비-IRS 기반 SWIPT-NOMA 네트워크 대비 BS 전송 전력이 51.13% 감소함을 보여준다.
• 전송 전력 최소화 및 시스템 에너지 효율성 측면에서 기준 기반 기법보다 알고리즘이 뛰어난 성능을 보인다.
• IRS 통합은 모든 사용자에 대해 정보 복원 및 에너지 수확 성능을 크게 향상시킨다.