[논문 리뷰] Joint Active and Passive Beamforming Optimization for Intelligent Reflecting Surface Assisted SWIPT under QoS Constraints

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 32인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 정보 및 에너지 사용자에 대한 개별 QoS 제약 조건 하에서 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 시스템에서 액세스 포인트(AP)의 전송 전력을 최소화하기 위해 지능형 반사 표면(IRS)을 활용한 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 시스템을 위한 공동 활성 및 수동 beamforming 최적화 프레임워크를 제안한다. 페널티 기반 반복 알고리즘과 저복잡도 병렬 위상 이동 최적화를 활용하여, 특히 에너지 사용자 근처에 IRS를 배치함으로써 전용 에너지 비트를 줄일 수 있어 전력 절감 효과가 크고 SWIPT 성능이 향상된다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a new and revolutionizing technology for achieving spectrum and energy efficient wireless networks. By leveraging massive low-cost passive elements that are able to reflect radio-frequency (RF) signals with adjustable phase shifts, IRS can achieve high passive beamforming gains, which are particularly appealing for improving the efficiency of RF-based wireless power transfer. Motivated by the above, we study in the paper an IRS-assisted simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system. Specifically, a set of IRSs are deployed to assist in the information/power transfer from a multi-antenna access point (AP) to multiple single-antenna information users (IUs) and energy users (EUs), respectively. We aim to minimize the transmit power at the AP via jointly optimizing its transmit precoders and the reflect phase shifts at all IRSs, subject to the quality-of-service (QoS) constraints at all users, namely, the individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints at IUs and energy harvesting constraints at EUs. However, this optimization problem is non-convex with intricately coupled variables, for which the existing alternating optimization approach is shown to be inefficient as the number of QoS constraints increases. To tackle this challenge, we first apply proper transformations on the QoS constraints and then propose an efficient iterative algorithm by applying the penalty-based method. Moreover, by exploiting the short-range coverage of IRSs, we further propose a low-complexity algorithm by optimizing the phase shifts of all IRSs in parallel.

연구 동기 및 목표

• 정보 및 에너지 사용자에 대한 개별 QoS 제약 조건 하에서 다안테나 액세스 포인트(AP)의 전송 전력을 최소화하기 위해 IRS 보조 SWIPT 시스템에서의 전송 전력 최소화.
• AP의 전송 예비선형화기와 IRS의 반사 위상 이동을 공동 최적화하여 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성을 향상시키기.
• SINR 및 에너지 수확 제약 조건으로 인해 발생하는 비볼록이고 복잡하게 결합된 최적화 문제 해결.
• 기존의 교차 최적화 방법의 한계를 극복하고 증가하는 QoS 제약 수에 따라 스케일링 가능한 효율적인 알고리즘 개발.
• IRS 설치 위치 및 구성이 beamforming 설계 및 시스템 성능에 미치는 영향 평가.

제안 방법

• 비볼록 QoS 제약 조건을 페널티 기반 공식화로 변환하여 반복 최적화를 가능하게 한다.
• 활성(AP 예비선형화기) 및 수동(IRS 위상 이동) beamforming을 공동 최적화하기 위해 교차 페널티 기반 알고리즘을 적용한다.
• IRS의 단거리 커버리지 특성을 활용하여 저복잡도 병렬 최적화 방법을 도입하여 계산 부담을 감소시킨다.
• beamforming 설계 문제에서 결합된 변수를 분리하기 위해 적절한 변수 변환을 사용한다.
• 실제 하드웨어 제약 조건을 고려하기 위해 알고리즘을 이산 위상 이동을 처리할 수 있도록 확장한다.
• 다중 IRS 환경에서 공간 Multiplexing 이득을 평가하기 위해 IRS-AP 링크에 레일리 fading 채널 모델을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 SWIPT 시스템에서 개별 QoS 제약 조건 하에 AP 전송 전력을 최소화하기 위해 공동 활성 및 수동 beamforming을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 기존의 전용 에너지 비트 전송 방식에 비해 에너지 사용자 근처에 IRS를 설치함으로써 얻는 성능 향상은 어떠한가?
• RQ3 정보 사용자 수가 증가할 경우 시스템의 전송 전력과 beamforming 설계 복잡도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저복잡도 병렬 위상 이동 최적화 방법이 낮은 계산 비용으로 최적에 가까운 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 다양한 구성으로 다중 IRS를 설치할 경우 시스템 성능과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 페널티 기반 알고리즘이 벤치마크 방법보다 뚜렷이 뛰어나며, QoS 제약 조건 하에서 AP 전송 전력 최소화에 최고의 성능을 달성한다.
• 에너지 사용자 근처에 IRS를 설치하면 전용 에너지 비트의 필요성이 감소하여, 에너지 신호 상쇄가 필요 없는 더 간단한 beamforming 설계가 가능해진다.
• 정보 사용자 수가 증가할수록 시스템은 간섭에 더 민감해지며, 이로 인해 에너지 사용자 근처에 IRS를 설치함으로써 얻는 상대적 성능 향상도 감소한다.
• 저복잡도 병렬 알고리즘이 비-IRS 및 고정 위상 이동 IRS 시스템에 비해 상당한 성능 향상을 보이며, 최적 페널티 기반 방법에 비해 미미한 성능 손실만을 보인다.
• 시뮬레이션 결과는 IRS 설치가 WPT 범위를 연장하고 전송 전력을 감소시키며, 특히 에너지 사용자 군집 근처에 전략적으로 배치된 경우에 특히 두드러진 효과를 보임을 보여준다.
• 시스템은 뚜렷한 전송 전력 절감 효과를 달성하며, 특히 QoS 요구 수준이 높을수록(예: 높은 SINR 및 RF 전력 목표) 성능 향상이 증가한다. 이는 특히 에너지 사용자 집중지역에 IRS를 설치한 경우에 더욱 두드러진다.