[논문 리뷰] Joint Transmit and Reflective Beamforming Design for IRS-Assisted Multiuser MISO SWIPT Systems

Yizheng Tang, Ganggang Ma외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 16인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 전송(수동) 및 반사(수동) beamforming 설계를 공동으로 고려하여 IRS를 지원하는 다유저 MISO SWIPT 시스템에서 에너지 수확(에너지 수확, EH) 수신기에서의 최소 수신 전력 최대화를 목표로 하며, 정보 복원(정보 해독, ID) 수신기의 SINR 제약 조건과 전송 전력 제한 조건을 만족한다. 교차 최적화와 준정방형 완화(SDR)를 사용하여 알고리즘이 20~30회 반복 이내 수렴하며, IRS 없음 또는 전용 에너지 비트를 갖는 기준 대비 유의미한 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This paper studies an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted multiuser multiple-input single-output (MISO) simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system. In this system, a multi-antenna access point (AP) uses transmit beamforming to send both information and energy signals to a set of receivers each for information decoding (ID) or energy harvesting (EH), and a dedicatedly deployed IRS properly controls its reflecting phase shifts to form passive reflection beams for facilitating both ID and EH at receivers. Under this setup, we jointly optimize the (active) information and energy transmit beamforming at the AP together with the (passive) reflective beamforming at the IRS, to maximize the minimum power received at all EH receivers, subject to individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints at ID receivers, and the maximum transmit power constraint at the AP. Although the formulated SINR-constrained min-energy maximization problem is highly non-convex, we present an efficient algorithm to obtain a high-quality solution by using the techniques of alternating optimization and semi-definite relaxation (SDR). Numerical results show that the proposed IRS-assisted SWIPT system with both information and energy signals achieves significant performance gains over benchmark schemes without IRS deployed and/or without dedicated energy signals used.

연구 동기 및 목표

• 수동 IRS 반사를 갖는 다유저 MISO SWIPT 시스템에서 에너지 수확(EH)과 정보 해독(ID) 성능 간의 균형을 맞추는 도전 과제를 해결한다.
• SINR 및 전력 제약 조건 하에서 공동 전송 및 반사 beamforming 최적화 문제의 비볼록성 문제를 해결한다.
• 정보 수신기의 개별 SINR 요구 조건과 AP의 최대 전송 전력 제약 조건을 만족하면서도 모든 EH 수신기에서의 최소 수신 전력을 최대화한다.
• 기존의 IRS 없음 또는 전용 에너지 비트 없이 구현된 전통적 방법에 비해, IRS와 전용 에너지 비트를 갖는 SWIPT 시스템의 성능 향상을 입증한다.

제안 방법

• IRS를 지원하는 다유저 MISO SWIPT 시스템에서 공동 활성 및 수동 beamforming 설계를 위한 비볼록 SINR 제약 조건이 있는 최소 에너지 최대화 문제를 수립한다.
• 교차 최적화를 적용하여 AP의 전송 beamforming 벡터와 IRS의 반사 단계를 번갈아 가며 최적화한다.
• beamforming 최적화에서 비볼록인 질서 1 랭크 제약 조건을 처리하기 위해 준정방형 완화(SDR)를 사용한 후, 가우시안 랜덤화를 통해 타당한 해를 복구한다.
• 문제를 하위 문제로 분해한다: 고정된 IRS 단계를 가진 상태에서 전송 beamformer를 최적화하고, 그 다음 고정된 beamformer를 가진 상태에서 IRS 단계를 최적화하며, 수렴할 때까지 이 과정을 반복한다.
• ID 수신기가 에너지 신호로부터 간섭을 제거할 수 있도록 AP에 알려진 의사난수 시퀀스를 통합한다.
• 해가 최대 전송 전력 제약 조건과 ID 수신기의 개별 SINR 요구 조건을 만족하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS를 지원하는 다유저 MISO SWIPT 시스템에서 활성 전송 beamforming과 수동 반사 beamforming의 공동 설계는 EH 성능에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 IRS를 도입한 경우, EH 수신기에서의 최소 수신 전력은 IRS 없이 구현된 시스템과 비교해 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전용 에너지 비트를 사용할 경우, SWIPT 시스템에서 EH와 ID 성능 간의 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 알고리즘이 수렴 보장이 있는 높은 비볼록성 공동 beamforming 최적화 문제를 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 다양한 SINR 임계값과 전송 전력 수준은 제안된 IRS를 지원하는 SWIPT 시스템의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 20~30회 반복 이내에 수렴하여 빠른 수렴성과 뛰어난 안정성을 입증한다.
• 정보 및 에너지 비트를 모두 갖는 IRS를 지원하는 시스템은 모든 기준 대비 유의미한 성능 향상을 달성하며, 특히 중간 수준의 SINR 임계값에서 두드러진다.
• 정보 비트 전용 설계 대비 전용 에너지 beamforming은 중간 수준의 SINR 임계값에서 상당한 EH 성능 향상을 제공한다.
• 매우 낮거나 매우 높은 SINR 임계값에서는 전용 에너지 비트의 이점이 감소함을 확인하여 성능 트레이드오프가 존재함을 시사한다.
• 제안된 설계 방식은 전체 전송 전력 범위에서 모든 기준 대비 뛰어난 성능을 보이며, EH 수신기에서의 최소 수신 전력은 전송 전력 증가에 따라 단조적으로 증가한다.
• IRS와 전용 에너지 비트를 갖는 시스템은 IRS 없음 또는 에너지 비트 없음과 같은 설계보다 더 높은 최소 EH 전력을 달성함으로써, 최적 성능을 위해 둘 다 필수적임을 확인한다.