[논문 리뷰] Robust and Secure Sum-Rate Maximization for Multiuser MISO Downlink Systems with Self-sustainable IRS

Shaokang Hu, Zhiqiang Wei외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 26.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 61인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 무선 신호로부터 에너지를 수확하는 자기 수명 유지형 지능형 반사 표면(IIRS)을 보조로 사용하는 다유저 MISO 다운링크 시스템을 대상으로, 강건하고 안전한 총율 최적화 기법을 제안한다. 성능이 큰 IIRS의 면적에 따라 포화되며, 단계 조절기 해상도에 의해 제한되는 동안, 순차적 볼록 근사 알고리즘을 통해 비례형 전송, 위상 각도, 에너지 수확 스케줄링을 공동 최적화함으로써 높은 스펙트럼 효율성을 달성하면서도 IIRS의 에너지 자립성을 확보한다.

ABSTRACT

This paper investigates robust and secure multiuser multiple-input single-output (MISO) downlink communications assisted by a self-sustainable intelligent reflection surface (IRS), which can simultaneously reflect and harvest energy from the received signals. We study the joint design of beamformers at an access point (AP) and the phase shifts as well as the energy harvesting schedule at the IRS for maximizing the system sum-rate. The design is formulated as a non-convex optimization problem taking into account the wireless energy harvesting capability of IRS elements, secure communications, and the robustness against the impact of channel state information (CSI) imperfection. Subsequently, we propose a computationally-efficient iterative algorithm to obtain a suboptimal solution to the design problem. In each iteration, S-procedure and the successive convex approximation are adopted to handle the intermediate optimization problem. Our simulation results unveil that: 1) there is a non-trivial trade-off between the system sum-rate and the self-sustainability of the IRS; 2) the performance gain achieved by the proposed scheme is saturated with a large number of energy harvesting IRS elements; 3) an IRS equipped with small bit-resolution discrete phase shifters is sufficient to achieve a considerable system sum-rate of the ideal case with continuous phase shifts.

연구 동기 및 목표

• 6G 네트워크에서 에너지 소모가 큰 IIRS 구현 문제를 해결하기 위해 무선 주파수(RF) 에너지 수확을 통해 자율성을 확보하는 방법을 제안한다.
• 부정확한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 다유저 MISO 다운링크 시스템에서 비례형 전송, 위상 각도, 에너지 수확 스케줄링을 공동 최적화한다.
• 시스템 총율을 최대화하면서도 안전한 통신과 CSI 불확실성에 대한 강건성을 확보한다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 계산 효율성이 높은 반복 알고리즘을 설계한다.

제안 방법

• 총율 최대화, 안전한 전송, CSI 강건성, IIRS 에너지 수확 제약 조건을 통합한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• S-절차와 순차적 볼록 근사(ScA)를 적용하여 비볼록 제약 조건을 처리하고 반복적으로 해를 개선한다.
• 라그랑주 이중성과 카룩-쿤-터커(KKT) 조건을 활용하여 랭크-1 구조를 가진 비례형 전송 해를 유도한다.
• 에너지 수확 및 품질보증(QoS) 제약 조건 하에서 반복적으로 비례형 전송기와 IIRS 위상 각도를 번갈아 최적화하는 반복 알고리즘을 구현한다.
• 이산적 위상 조절기를 갖춘 수동 어레이로 IIRS를 모델링하고, 에너지 수확 효율성을 시스템 모델에 통합한다.
• 간섭과 기밀성 제약 조건을 라그랑주 승수와 행렬 부등식을 통해 다루기 위한 이중 분해 프레임워크를 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확 제약 조건 하에서 시스템 총율과 IIRS 자율성 간의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ2 IIRS 요소의 수가 총율 향상과 에너지 수확 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 연속적 위상 조절과 비교할 때, 저해상도(예: 1비트, 2비트, 4비트) 위상 조절기의 영향은 도달 가능한 총율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전송기에서 채널 상태 정보(CSI)가 불완전할 경우, 제안된 기법의 강건성은 어떠한가?
• RQ5 자기 수명 유지형 IIRS는 외부 전원 공급 없이도 근사 최적의 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템 총율과 IIRS 자율성 사이에 비트리버스한 상충 관계가 존재하며, 더 높은 데이터 전송률은 에너지 소비를 증가시켜 자율성에 제한을 가한다.
• 대규모 IIRS 요소 수에 따라 성능 향상은 포화 상태에 도달하며, 이는 일정 면적 이상에서는 수익 감소 현상을 시사한다.
• 저해상도(예: 1~4비트) 위상 조절기를 갖춘 IIRS는 이상적인 연속적 위상 조절기 성능의 상당 부분을 달성한다.
• 제안된 반복 알고리즘이 효율적으로 수렴하며 실용적 타당성이 높은 부분 최적 해를 제공한다.
• CSI 불확실성 하에서의 강건한 비례형 전송 설계는 동적 환경에서 시스템 신뢰성과 기밀성 전송률을 크게 향상시킨다.
• 다운링크 신호로부터의 에너지 수확은 외부 전원 없이도 장기간 IIRS 운영을 가능하게 하여 지속 가능한 6G 네트워크를 지원한다.