[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Aided Full-Duplex Communication: Passive Beamforming and Deployment Design

Yunlong Cai, Minjian Zhao+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 37被引用 9

一句话总结

本文提出了一种智能反射面（IRS）辅助的全双工（FD）通信系统，通过联合优化无源波束成形与IRS部署，以最小化总发射功率。针对三种部署场景——分布式与两种集中式IRS设置，设计了一种高效的块坐标下降（BCD）算法，结果表明，与半双工及集中式IRS相比，全双工结合IRS可实现最低的功耗。

ABSTRACT

This paper investigates the passive beamforming and deployment design for an intelligent reflecting surface (IRS) aided full-duplex (FD) wireless system, where an FD access point (AP) communicates with an uplink (UL) user and a downlink (DL) user simultaneously over the same time-frequency dimension with the help of IRS. Under this setup, we consider three deployment cases: 1) two distributed IRSs placed near the UL user and DL user, respectively; 2) one centralized IRS placed near the DL user; 3) one centralized IRS placed near the UL user. In each case, we aim to minimize the weighted sum transmit power consumption of the AP and UL user by jointly optimizing their transmit power and the passive reflection coefficients at the IRS (or IRSs), subject to the UL and DL users' rate constraints and the uni-modulus constraints on the IRS reflection coefficients. First, we analyze the minimum transmit power required in the IRS-aided FD system under each deployment scheme, and compare it with that of the corresponding half-duplex (HD) system. We show that the FD system outperforms its HD counterpart for all IRS deployment schemes, while the distributed deployment further outperforms the other two centralized deployment schemes. Next, we transform the challenging power minimization problem into an equivalent but more tractable form and propose an efficient algorithm to solve it based on the block coordinate descent (BCD) method. Finally, numerical results are presented to validate our analysis as well as the efficacy of the proposed passive beamforming design.

研究动机与目标

• 最小化IRS辅助全双工系统中上行链路与下行链路同时传输时的加权和发射功率。
• 在速率约束与单位模反射约束下，优化无源反射系数与IRS部署位置。
• 比较三种IRS部署策略的性能：分布式、靠近下行链路用户的集中式，以及靠近上行链路用户的集中式。
• 证明全双工结合IRS的功耗低于半双工，且分布式IRS部署性能最优。

提出的方法

• 在用户个体速率约束与IRS反射系数单位模约束下，提出功率最小化问题的公式化方法。
• 通过变量替换与对偶性，将非凸优化问题转化为等价且更易处理的形式。
• 应用块坐标下降（BCD）算法，迭代优化发射功率与IRS相位偏移。
• 通过渐近分析表明，功率目标的上界随IRS尺寸N的平方衰减，证明了系统的可扩展性。
• 推导出原始问题与简化后的比值最大化形式之间的等价性，以实现高效计算。
• 通过瑞利衰落信道下多种部署配置的数值结果验证了设计方案的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与半双工相比，IRS部署如何影响全双工系统的功率效率？
• RQ2 在全双工系统中，分布式IRS与集中式IRS部署相比，性能增益如何？
• RQ3 在同时进行上行链路与下行链路传输的全双工系统中，IRS的无源波束成形能否有效抑制同频干扰？
• RQ4 增加IRS反射单元数量对系统功耗与收敛性有何影响？
• RQ5 在不同部署策略下，IRS辅助全双工系统可实现的理论最小发射功率是多少？

主要发现

• 在所有部署方案中，IRS辅助全双工系统均实现了低于半双工系统的发射功率，证实了FD的频谱效率增益。
• 分布式IRS部署（一个IRS靠近上行链路用户，另一个靠近下行链路用户）实现了最低的功耗，优于两种集中式配置。
• 所提出的基于BCD的算法能高效收敛至满足所有速率与相位偏移约束的高精度解。
• 随着IRS反射单元数N的增加，最小发射功率的上界呈二次方衰减，表明系统具有强大的可扩展性。
• 理论分析证实，等价优化问题与原始问题具有相同的最优解，从而支持高效计算。
• 数值结果验证了所提方案的优越性，显示出相对于传统FD与HD系统的显著功耗节省。