[论文解读] IRS-Enhanced OFDMA: Joint Resource Allocation and Passive Beamforming Optimization

Yifei Yang, Shuowen Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用 9

一句话总结

本文提出了一种用于IRS增强型OFDMA系统的动态被动波束成形方案，其中智能反射面（IRS）的反射系数在时隙间自适应调整，以提升被动波束成形增益和多用户分集增益。通过联合优化资源块、功率分配和时变IRS相位，该方案显著提升了最小用户速率，优于固定波束成形和随机相位设计，尤其在IRS元件数量较多时表现更优。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is an emerging technique to enhance the wireless communication spectral efficiency with low hardware and energy cost. In this letter, we consider the integration of IRS to an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) based multiuser downlink communication system, and study the pertinent joint optimization of the IRS reflection coefficients and OFDMA time-frequency resource block as well as power allocations to maximize the users' common (minimum) rate. Specifically, due to the lack of frequency-selective passive beamforming capability at the IRS, only one set of reflection coefficients can be designed for adapting to a large number of channels of multiple users over different frequency sub-bands. To tackle this difficulty, we propose a novel dynamic passive beamforming scheme where the IRS reflection coefficients are dynamically adjusted over different time slots within each channel coherence block to create artificial time-varying channels and select only a subset of the users to be simultaneously served in each time slot, thus achieving a higher passive beamforming gain. Although the formulated optimization problem is non-convex, we propose an efficient algorithm to obtain a suboptimal solution to it. Numerical results show that the proposed scheme significantly improves the system common rate over the setup without IRS and that with random IRS reflection coefficients. Moreover, our proposed dynamic passive beamforming outperforms the fixed passive beamforming which employs a common set of reflection coefficients in each channel coherence block, by more flexibly balancing between passive beamforming and multiuser diversity gains.

研究动机与目标

• 为解决多用户OFDMA系统中非频率选择性IRS被动波束成形的挑战，即单组反射系数需在多个频带子带上服务多个用户。
• 通过联合优化时频资源块、功率分配和IRS反射系数，提升频谱效率与用户公平性。
• 通过在时隙间引入动态波束成形以克服固定IRS相位偏移的局限性，创造人工时变信道。
• 在IRS辅助的多用户下行链路系统中，平衡被动波束成形增益与多用户分集增益之间的权衡。
• 开发一种高效算法，利用交替优化与连续凸逼近（Successive Convex Approximation, SCA）求解非凸联合优化问题。

提出的方法

• 提出一种动态被动波束成形方案，其中IRS反射系数在每个信道相干块内的时隙间重新配置，以适应用户信道状态的变化。
• 将系统建模为单天线基站、多个单天线用户以及具有M个无源反射单元的IRS的多用户OFDMA下行链路。
• 采用准静态块衰落信道模型，并构建一个非凸优化问题以最大化公共（最小）用户速率。
• 应用交替优化与连续凸逼近（SCA）方法，迭代求解资源块、功率分配和IRS反射系数。
• 实施类似时分复用的调度策略，每时隙服务较少用户，通过定制相位偏移增强波束成形增益。
• 通过控制链路使基站与IRS控制器交换IRS配置信息，实现相位的实时调整。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户OFDMA系统中，时隙间IRS反射系数的动态调整是否能提升系统频谱效率？
• RQ2 与固定或随机IRS相位设计相比，动态被动波束成形在用户公平性和公共速率方面表现如何？
• RQ3 在IRS增强型OFDMA系统中，被动波束成形增益与多用户分集增益之间的最优权衡是什么？
• RQ4 IRS反射单元数量如何影响动态波束成形相对于固定波束成形的性能增益？
• RQ5 联合优化资源块、功率分配和IRS相位能否显著提升速率性能，超越基准方案？

主要发现

• 所提出的动态被动波束成形方案在最小用户速率方面优于固定被动波束成形和随机相位设计，尤其在IRS元件数量增加时优势更明显。
• 当M=80时，动态波束成形方案在最小用户速率增益上比固定波束成形最高提升40%，证明了其在波束成形增益利用上的优越性。
• 随机相位II（每时隙随机相位）优于随机相位I（固定随机相位），表明时变随机性可增强多用户分集增益。
• 在动态波束成形下，OFDMA资源块分配更具动态性，每时隙服务的用户更少，当M较大时趋近于TDMA模式。
• 随着M的增加，动态与固定波束成形之间的性能差距扩大，证实当波束成形增益占主导时，动态自适应最为有益。
• 所提算法在数次迭代内即可可靠收敛，展示了其在实时部署中的实际可行性。