[论文解读] IRS-Enhanced OFDM: Power Allocation and Passive Array Optimization

Yifei Yang, Shuowen Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 14

一句话总结

本文提出了一种用于正交频 division multiplexing (OFDM) 系统中在智能反射面（IRS）上联合优化基站发射功率分配与被动波束成形的迭代算法，以最大化下行链路可实现速率。通过采用基于Cramér-Rao下界（CRLB）的定制化初始化方法，交替优化发射功率与IRS相位移/衰减系数，该方法实现了接近最优的性能，具有快速收敛速度，并在高IRS元件数量或强反射链路条件下显著提升了速率增益，相较于传统设计表现更优。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising new technology for achieving spectrum and energy efficient wireless communication systems in the future. By adaptively varying the incident signals' phases/amplitudes and thereby establishing favorable channel responses through a large number of reconfigurable passive reflecting elements, IRS is able to enhance the communication performance of mobile users in its vicinity cost-effectively. In this paper, we study an IRS-enhanced orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system in which an IRS is deployed to assist the communication between a nearby user and its associated base station (BS). We aim to maximize the downlink achievable rate for the user by jointly optimizing the transmit power allocation at the BS and the passive array reflection coefficients at the IRS. Although the formulated problem is non-convex and thus difficult to solve, we propose an efficient algorithm to obtain a high-quality suboptimal solution for it, by alternately optimizing the BS's power allocation and the IRS's passive array coefficients in an iterative manner, along with a customized method for the initialization. Simulation results show that the proposed design significantly improves the OFDM link rate performance as compared to the cases without the IRS or with other heuristic IRS designs.

研究动机与目标

• 解决在频率选择性衰落信道下，通过IRS增强的OFDM系统中最大化下行链路可实现速率的挑战。
• 联合优化基站发射功率分配与IRS无源阵列反射系数，二者具有复杂耦合关系且为非凸问题。
• 设计一种高效的迭代算法，通过交替优化功率分配与IRS反射系数，确保收敛性。
• 开发一种定制化初始化方法（基于CPM），以加速收敛并逼近全迭代算法的性能。
• 证明所提设计方案相较于无IRS系统及采用启发式IRS系数选择的系统具有显著优越性。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，通过联合优化基站功率分配与IRS无源阵列系数，以最大化下行链路可实现速率。
• 提出一种交替优化算法，通过迭代更新功率分配与IRS反射系数，确保单调收敛至局部最优解。
• 引入基于Cramér-Rao下界（CRLB）的初始化方法，用于IRS相位与幅度，利用信道状态信息以提升收敛速度。
• 采用罚函数法处理问题的非凸性，将约束条件转化为目标函数中的惩罚项。
• 采用基于次梯度的方法求解每次IRS系数更新时的功率分配子问题，确保计算效率。
• 应用一种定制化初始化方法，基于信道的统计特性估计最优IRS反射系数，从而减少所需迭代次数。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在频率选择性衰落信道下，通过联合优化功率分配与IRS无源波束成形，以最大化IRS增强型OFDM系统中的可实现速率？
• RQ2 IRS反射系数设计对OFDM系统中直射与反射信号的相长叠加有何影响？
• RQ3 低复杂度初始化方法是否可实现接近全迭代算法的性能？
• RQ4 IRS反射元件数量如何影响小区边缘场景下的可实现速率增益？
• RQ5 与无IRS系统或采用随机相位IRS设计的系统相比，所提方法的性能增益如何？

主要发现

• 所提迭代算法实现了单调收敛，且相比无IRS系统或采用启发式IRS设计的系统，显著提升了可实现速率。
• 基于CPM的初始化方法仅需21次迭代即可收敛，而随机相位初始化需109次迭代，两者在15 dB信噪比下均达到相同的收敛速率1.0900 bps/Hz。
• 在15 dB信噪比下，所提方法的速率比随机相位基准高出1.5倍，比无IRS情况高出2.3倍。
• 随着信噪比升高，基于CPM的初始化方法与全迭代算法之间的性能差距逐渐缩小，在高信噪比下可忽略不计。
• 当IRS元件数为20时，随着反射链路与直射链路功率比α增加至10，所提方案相比随机相位方案实现3.2倍的速率增益，相比无IRS情况实现4.1倍增益。
• 可实现速率随IRS元件数M的增加而提升，且所提方案相较于随机相位与无IRS方案的性能增益在M增大时更加显著。