[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Aided Network: Power Control for Physical-Layer Broadcasting

Huimei Han, Jun Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、品質保証（QoS）制約下での物理層ブロードキャストにおいて、基地局での送信ビームフォーミングと知能反射表面（IRS）での位相シフトを共同で最適化するための交互最適化アルゴリズムを提案する。最小送信電力の理論的下界を導出し、シミュレーションにより、IRS要素数が増加するにつれて必要な電力がこの下界に近づくことを示した。これは、IRSを備えないシステムと比較して、送信電力を顕著に削減できることを示している。

ABSTRACT

As a recently proposed idea for future wireless systems, intelligent reflecting surface (IRS) can assist communications between entities which do not have high-quality direct channels in between. Specifically, an IRS comprises many low-cost passive elements, each of which reflects the incident signal by incurring a phase change so that the reflected signals add coherently at the receiver. In this paper, for an IRS-aided wireless network, we study the problem of power control at the base station (BS) for physical-layer broadcasting under quality of service (QoS) constraints at mobile users, by jointly designing the transmit beamforming at the BS and the phase shifts of the IRS units. Furthermore, we derive a lower bound of the minimum transmit power at the BS to present the performance bound for optimization methods. Simulation results show that, the transmit power at the BS approaches the lower bound with the increase of the number of IRS units, and is much lower than that of the communication system without IRS.

研究の動機と目的

• 5Gおよび将来の無線ネットワークにおける高いエネルギー消費を低減するため、知能反射表面（IRS）を用いて受信信号を受動的に強化することにより、その課題に対処すること。
• IRS支援ネットワークにおける物理層ブロードキャストのQoS制約下での基地局（BS）における電力制御問題を解決すること。
• ユーザーのデータレート要件を満たしつつ、送信電力を最小化するため、基地局での送信ビームフォーミングとIRSでの受動的位相シフトを共同で最適化すること。
• 最適化アルゴリズムの性能ベンチマークとしての役割を果たす、最小送信電力の理論的下界を導出すること。

提案手法

• QoS制約下で、基地局における送信ビームフォーミングベクトルとIRSにおける位相シフトの共同最適化として電力制御問題を定式化する。
• 交互最適化アルゴリズムを用い、ビームフォーミングと位相シフトを交互に最適化する。2つのサブ問題を解く：ビームフォーミング設計と位相シフト最適化。
• 基地局とIRS間の視線（LoS）チャネルを仮定し、期待される信号利得を分析することで、最小送信電力の閉形式下界を導出する。
• 基地局からユーザー（MU）およびIRSからユーザーへのリンクにレイリー faded データモデルを適用し、基地局からIRSへのリンクにはLoSチャネルを採用。路損およびノイズ電力を含む。
• 凸緩和および半正定値プログラミング技術を用いてビームフォーミングサブ問題を解き、IRSの位相シフト最適化における構造を活用して計算複雑度を低減する。
• 1反復あたりの計算複雑度を O((K + M²)^3.5) + O((2K + (N+1)²)^3.5) として分析し、多様体法による今後の最適化の可能性を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援型物理層ブロードキャストシステムにおいて、QoS制約を満たすために必要な理論的最小送信電力は何か？
• RQ2 IRS要素数の増加が、送信電力が理論的下界に収束するプロセスに与える影響は何か？
• RQ3 ビームフォーミングとIRS位相シフトを共同最適化する手法と、IRSを備えない基準手法やランダム位相シフトを用いる手法とを比較すると、性能にどのような差が出るか？
• RQ4 ユーザー数（K）とIRSユニット数（M）の増加が、必要な送信電力に与える影響は何か？
• RQ5 パスロス指数やユーザー分布などのシステムパラメータの変化に伴い、提案手法の性能はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• IRSユニット数が増加するにつれて、基地局の送信電力が導出された理論的下界に近づくことが確認され、提案手法の最適性が裏付けられた。
• K=1 かつ M=20, 30, 40 の場合、IRS要素数の増加に伴い送信電力が顕著に低下し、IRSなしの基準手法を下回った。
• K=2 かつ M=40 の場合、さらにIRS要素数を増やすことで送信電力は継続的に低下し、下界へのギャップも縮小したが、単一ユーザーの場合に比べて収束が遅くなった。
• 特にIRS付近に位置するセルエッジユーザーにおいて、従来の電力制御手法（IRSなし）と比較して、提案手法は顕著に低い送信電力を達成した。
• ユーザー数（K）を1から10に増加させると、実際の送信電力と下界とのギャップが広がったことから、マルチユーザー環境ではよりタイトな下界が必要であることが示唆された。
• シミュレーション結果は、解析的に導出した下界を正当化しており、ビームフォーミングとIRS位相シフトの共同最適化がエネルギー消費の低減に効果的であることを実証した。