[논문 리뷰] Joint Power Control and Passive Beamforming in IRS-Assisted Spectrum Sharing

Xinrong Guan, Qingqing Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 21인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 지능형 반사 표면(IIRS)을 활용한 인지 방식 시스템에서 주파수 공유를 위해 공동 전력 제어 및 수동 beamforming 최적화 프레임워크를 제안하여 주파수 사용자(PU)의 서비스 품질(QoS) 제약 조건 하에 부가 사용자(SU)의 데이터 전송률을 극대화한다. 교차 최적화 및 점진적 볼록 근사 기법을 활용함으로써 강력한 크로스링크 간섭을 효과적으로 억제하여, 기존의 CR 시스템이 실패하는 비대칭 간섭 환경에서도 SU의 스펙트럼 효율을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In cognitive radio (CR) communication systems, achieving high secondary user (SU) rate in the presence of strong cross-link interference with the primary user (PU) is challenging. In this letter, we exploit the emerging intelligent reflecting surface (IRS) technology to tackle this problem. Specifically, we investigate an IRS-assisted CR communication system where an IRS is deployed to assist in the spectrum sharing between a PU link and an SU link. We aim to maximize the achievable SU rate subject to a given signal-to-interference-plus-noise ratio target for the PU link, by jointly optimizing the SU transmit power and IRS reflect beamforming. Since the formulated problem is difficult to solve due to its non-convexity and coupled variables, we propose an efficient algorithm based on alternating optimization and successive convex approximation techniques to solve it sub-optimally, along with some heuristic designs for lower complexity. Simulation results show that IRS is able to significantly improve the SU rate, even for the scenarios deemed most challenging in conventional CR systems without using IRS.

연구 동기 및 목표

• 주파수 사용자(PU)로부터 강력한 크로스링크 간섭으로 인해 발생하는 인지 방식(CR) 시스템 내에서의 부가 사용자(SU) 데이터 전송률 저하 문제를 해결하기 위함.
• 지능형 반사 표면(IIRS)을 수동 beamforming 솔루션으로 활용하여 간섭 제한 환경에서 SU의 스펙트럼 효율을 향상시키기 위함.
• 부가 사용자(SU) 전송 전력과 IIRS 반사 계수를 공동 최적화하여 SU 전송률을 극대화하면서도 주파수 사용자(PU)의 최소 신호 대 간섭 비율(SINR) 요구 조건을 충족시키기 위함.
• 비볼록이고 결합된 최적화 문제로 인해 발생하는 효율적인 부분 최적 알고리즘을 개발하기 위함.

제안 방법

• 부가 사용자(SU) 전송률을 극대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립하였으며, 주파수 사용자(PU)의 SINR 목표 제약 조건을 포함하고, 공동 최적화된 SU 전송 전력과 IIRS 위상 이동을 포함한다.
• 교차 최적화를 적용하여 공동 문제를 하위 문제로 분리: 고정된 IIRS beamforming 조건 하에서의 전력 제어 및 고정된 전력 조건 하에서의 IIRS beamforming 최적화.
• 점진적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 기법을 사용하여 SINR 제약 조건 내의 비볼록 항을 반복적으로 근사함으로써 볼록 하위 문제의 해를 도출한다.
• 1차 테일러 전개 및 볼록 완화 기법을 활용하여 SINR 표현식 내의 비볼록 분수형 및 이차형 형태를 처리한다.
• 카루시-쿠른-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건과 이중 분해 기법을 이용해 고정된 전력 조건 하에서 IIRS 위상 이동의 닫힌 형태 해를 유도한다.
• 실제 구현을 고려한 낮은 복잡도의 휴리스틱 설계를 제안하고, 최적화 알고리즘과의 성능를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IIRS 배치가 강력한 크로스링크 간섭이 존재하는 인지 방식 시스템 내에서 부가 사용자(SU)의 이론적 전송률 향상에 상당한 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 IIRS를 활용하지 않은 기존의 CR 시스템과 비교했을 때, SU 전송 전력과 IIRS 수동 beamforming을 공동 최적화함으로써 스펙트럼 효율은 어떻게 향상되는가?
• RQ3 IIRS의 설치 위치(주파수 사용자(PU) 또는 부가 사용자(SU) 근처)가 간섭 관리 및 SU 전송률 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 제안된 교차 최적화 및 점진적 볼록 근사 알고리즘이 비볼록 공동 최적화 문제를 효과적으로 해결하는가?
• RQ5 비대칭 간섭 환경에서 제안된 방법이 높은 SU 데이터 전송률을 달성하면서도 주파수 사용자(PU)의 QoS를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• IIRS 배치로 인해 강력한 간섭 환경에서도 기존의 CR 시스템이 매우 낮은 전송률을 기록하는 상황에서도 부가 사용자(SU) 전송률 향상이 뚜렷하게 이루어진다.
• 제안된 공동 최적화 알고리즘이 휴리스틱 설계 및 IIRS 없이 구현된 기준 대비 더 높은 SU 전송률을 달성하며, 특히 비대칭 간섭 환경에서 두드러진 성능 향상을 보인다.
• 시뮬레이션 결과, IIRS가 부가 사용자 송신기에서 주파수 사용자 수신기로의 강력한 간섭을 효과적으로 억제함으로써 고성능의 SU 스펙트럼 효율을 달성할 수 있음을 입증한다.
• 알고리즘이 빠르게 수렴하며 근사 최적 성능에 도달함으로써, 비볼록 CR-IIRS 문제 해결에 점진적 볼록 근사 기법의 효과성을 입증한다.
• 특히 부가 사용자 송신기에서 주파수 사용자 수신기로의 간섭이 주요 성능 저하 요인인 경우, 이는 기존의 신호 간섭 제거(SIC) 기법을 적용할 수 없는 경우로서, 성능 향상 효과가 가장 두드러진다.