[论文解读] Intelligent Reconfigurable Surface Aided Power Control for Physical-Layer Broadcasting

Huimei Han, Jun Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种智能可重构表面（IRS）辅助的功率控制方案，通过联合优化基站（BS）波束成形与IRS相位偏移，最小化发射功率，同时满足用户的服务质量（QoS）约束。仿真结果表明，IRS辅助系统实现了接近理论最小功率，显著优于传统的非IRS方案。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS), a recently introduced technology, enhances spectral and energy efficiency by intelligently adjusting the propagation conditions between a base station (BS) and mobile users (MUs). An IRS consists of many low-cost passive reflecting elements, each of which can be controlled to change the phase of the incident signal to improve the quality of the received signal. In this paper, we study the problem of power control at the BS for the IRS-aided physical-layer broadcasting under the quality of service (QoS) constraints. Our goal is to minimize the transmit power at the BS by jointly designing the transmit beamforming at the BS and the phase shifts of the passive elements at the IRS, subject to each MUs signal-to-noise ratio constraint which characterizes MU's QoS. Furthermore, to validate the proposed optimization methods, we derive lower bounds of the minimum transmit power at the BS with respect to the number of MUs, the number of IRS elements, and the number of antennas at the BS. The simulation results demonstrate that the transmit power at the BS in the IRS-aided system is very close to the lower bound, and is significantly lower than the transmit power of conventional schemes without IRS.

研究动机与目标

• 在IRS辅助的物理层广播系统中，最小化基站（BS）的发射功率。
• 通过信噪比（SNR）约束，满足各个移动用户（MUs）的服务质量（QoS）需求。
• 联合优化基站发射波束成形与IRS无源相位偏移，以提升功率效率。
• 推导最小发射功率的理论下界，其与系统参数的关系。
• 通过仿真验证所提方案相较于传统非IRS系统的性能优势。

提出的方法

• 联合优化基站发射波束成形向量与IRS相位偏移，以最小化总发射功率。
• 将优化问题建模为一个受各用户SNR约束的非凸问题。
• 采用交替优化方法，迭代地优化波束成形与相位偏移解。
• 基于用户数、IRS单元数与基站天线数，推导最小发射功率的解析下界。
• 应用半定松弛与连续凸逼近技术求解非凸问题。
• 通过仿真对比IRS辅助系统与传统非IRS系统，验证解的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRS辅助的物理层广播系统中，如何在QoS约束下最小化基站的发射功率？
• RQ2 最小发射功率的理论下界如何随系统参数变化？
• RQ3 与传统方案相比，波束成形与IRS相位偏移的联合优化在提升能效方面有何优势？
• RQ4 IRS辅助系统在多大程度上逼近理论功率下界？
• RQ5 用户数、IRS单元数与基站天线数如何影响可实现的功率降低？

主要发现

• 所提出的IRS辅助功率控制方案实现了非常接近理论下界的发射功率。
• 与传统非IRS方案相比，该系统显著降低了发射功率。
• 随着IRS单元数与基站天线数的增加，发射功率的下界持续降低。
• 在用户密度高且基站功率受限的场景中，性能增益最为显著。
• 波束成形与相位偏移的联合优化显著提升了频谱效率与能量效率。
• 仿真结果证实，IRS辅助系统运行在接近理论功率极限的区域，验证了所提方法的有效性。