[논문 리뷰] Joint Design of Transmit Beamforming, IRS Platform, and Power Splitting SWIPT Receivers for Downlink Cellular Multiuser MISO

Shayan Zargari, Shahrokh Farahmand외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 25.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 27인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 하향링크 다중사용자 MISO 시스템에서 송신 beamforming, 지능형 반사 표면(IIRS)의 위상 보정, 그리고 전력 분할 비율을 공동 최적화하여 기지국(BS)의 송신 전력을 최소화하고자 한다. 이는 개별 사용자의 데이터 전송률 및 에너지 수확 품질보증(QoS) 요구사항을 만족시키는 조건에서 이루어진다. 최적 성능를 확보하기 위해 블록 좌표 강하(BCD)를 사용하고, 확장성을 고려해 복잡도가 낮은 MRT/ZF 기반의 부분 최적 알고리즘을 제안한다. 시뮬레이션 결과, 50개의 IRS 요소를 사용할 경우 최대 12 dBw의 전력 감소를 기록했으며, 부분 최적 설계는 IRS가 없는 경우의 전역 최적 해를 초월하는 성능을 보였다.

ABSTRACT

A multiple antenna base station (BS) with an intelligent reflecting surface (IRS) platform, and several single antenna users are considered in the downlink mode. Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) is utilized by the BS via transmit beamforming to convey information and power to all devices. Each device applies power splitting (PS) to dedicate separate parts of received power to information decoding and energy harvesting. We formulate a total transmit power minimization problem to jointly design the BS beamforming vectors, IRS phase shifts, and PS ratios at the receivers subject to minimum rate and harvested energy quality of service (QoS) constraints at all the receivers. First, we develop a block coordinate descent algorithm, also known as alternating optimization that can decrease the objective function with every iteration with guaranteed convergence. Afterwards, two low-complexity sub-optimal algorithms that rely on well-known maximum ratio transmission and zero-forcing beamforming techniques are introduced. These algorithms are beneficial when the number of BS antennas and/or number of users are large, or coherence times of channels are small. Simulations corroborate the expectation that by deploying a passive IRS, BS power can be reduced by $10-20$ dBw while maintaining similar guaranteed QoS. Furthermore, even the proposed sub-optimal algorithms outperform the globally optimal SWIPT solution without IRS for a modest number of IRS elements.

연구 동기 및 목표

• 하향링크 다중사용자 MISO 시스템에서 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 수행하는 동안 총 송신 전력을 최소화하는 것.
• 개별 사용자 전송률 및 에너지 수확 QoS 제약 조건 하에서 송신 beamforming 벡터, IRS 위상 보정, 수신기 전력 분할 비율을 공동 최적화하는 것.
• 대규모 시스템이나 짧은 코herence 시간에 적합한 저복잡도 부분 최적 해를 개발하는 것.

제안 방법

• 최소 데이터 전송률 및 각 사용자당 최소 수확 에너지 제약 조건을 포함한 총 송신 전력 최소화 문제를 수립한다.
• BCD를 적용하여 반복적으로 beamforming, IRS 위상 보정, 전력 분할 비율을 최적화함으로써 단조 감소 및 수렴을 보장한다.
• 복잡도를 낮추기 위해 최대 비율 전송(MRT) 및 제로포싱(ZF) beamforming 기반의 두 가지 부분 최적 알고리즘을 제안한다.
• 비볼록 제약 조건을 처리하기 위해 정규화된 준선형 프로그래밍(SDR)을 활용한다.
• 현실적인 전파 모델링을 위해 라이케인 fading 채널 모델을 사용하며, 선로 간 시선(LOS) 및 비선로 간 시선(Non-LOS) 성분을 포함한다.
• 최적 설계를 위해 기지국 및 IRS 제어기에서 전체 채널 상태 정보(CSI)를 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 beamforming, IRS 위상 보정, 전력 분할 비율의 공동 최적화가 다중사용자 MISO SWIPT 시스템에서 기지국의 송신 전력 감소에 기여할 수 있는가?
• RQ2 제안된 BCD 알고리즘의 성능은 IRS가 없는 전역 최적 해와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 MRT 및 ZF 기반 부분 최적 설계는 IRS가 없는 SWIPT 시스템에 비해 시스템 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 IRS 요소 수를 증가시킬 경우 송신 전력 감소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 저복잡도 beamforming 기법이 IRS 보조 시스템에서 전역 최적 해를 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 50개의 IRS 요소를 사용할 경우 제안된 BCD 알고리즘이 IRS가 없는 최적 해 대비 12 dBw의 송신 전력 감소를 달성한다.
• 조금만 증가된 수준의 IRS 요소를 사용하더라도 부분 최적 MRT 및 ZF 기반 설계가 IRS가 없는 전역 최적 SWIPT 해를 초월하는 성능을 보였다.
• BS 안테나 수와 IRS 요소 수가 증가할수록 송신 전력이 감소하여 확장성을 입증하였다.
• 저신호대역 간섭비(SINR) 영역에서는 BCD 솔루션이 부분 최적 설계보다 훨씬 낮은 송신 전력을 기록했으며, 고신호대역 간섭비 영역에서는 성능 격차가 점차 줄어들었다.
• IRS 도입으로 소수의 안테나를 가진 BS도 막대한 MIMO 시스템과 유사한 성능을 달성하며, 송신 전력을 크게 감소시킬 수 있었다.