[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Aided MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

Cunhua Pan, Hong Ren+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 42被引用 280

一句话总结

本文在 IRS 辅助的 SWIPT MIMO 系统中研究联合有源与无源波束成形，以在确保能量收集（ERs）的同时最大化加权和速率，并采用基于 BCD 的算法结合 WMMSE 重构。

ABSTRACT

An intelligent reflecting surface (IRS) is invoked for enhancing the energy harvesting performance of a simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) aided system. Specifically, an IRS-assisted SWIPT system is considered, where a multi-antenna aided base station (BS) communicates with several multi-antenna assisted information receivers (IRs), while guaranteeing the energy harvesting requirement of the energy receivers (ERs). To maximize the weighted sum rate (WSR) of IRs, the transmit precoding (TPC) matrices of the BS and passive phase shift matrix of the IRS should be jointly optimized. To tackle this challenging optimization problem, we first adopt the classic block coordinate descent (BCD) algorithm for decoupling the original optimization problem into several subproblems and alternatively optimize the TPC matrices and the phase shift matrix. For each subproblem, we provide a low-complexity iterative algorithm, which is guaranteed to converge to the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) point of each subproblem. The BCD algorithm is rigorously proved to converge to the KKT point of the original problem. We also conceive a feasibility checking method to study its feasibility. Our extensive simulation results confirm that employing IRSs in SWIPT beneficially enhances the system performance and the proposed BCD algorithm converges rapidly, which is appealing for practical applications.

研究动机与目标

• 通过在能量接收机（ERs）附近部署智能反射表面对 SWIPT 的能效进行激励与提升。
• 将 IRS 辅助的 SWIPT 在具备 ER 能量约束的多用户 MIMO 下行链路中规划并求解一个加权和速率最大化问题。
• 开发低复杂度、收敛性强的算法，以联合优化基站发射前向（TPC）和 IRS 相位移。
• 评估可行性并展示 IRS 在拓展 ER 运行范围和提升 IRs 速率方面的性能增益。
• 提供关于通道路径损耗和 IRS 位置对系统性能影响的洞见。

提出的方法

• 通过加权 MMSE（WMMSE）等价性重构 WSR 最大化，以实现对 BS 预编码和 IRS 相位移的交替优化。
• 应用块坐标下降（BCD）方法迭代地优化 TPC 矩阵和 IRS 相位移矩阵。
• 在固定相位移的情况下，利用基于序列凸近似（SCA）和拉格朗日对偶分解的低复杂度迭代方法求解 TPC 优化，其中对偶变量使用二分搜索。
• 在固定 TPC 时，使用主化简-极大化法（MM）和基于价格的方法将相位移优化求解为非凸 QCQP，以获得 KKT 点解。
• 证明各子问题及整体 BCD 算法收敛到 KKT 点，并引入一个可行性检验策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将 IRS 相位移与 BS 发射前向联合设计，以在 SWIPT MIMO 系统中最大化信息接收机的加权和速率？
• RQ2 在 ERs 考虑能量收集需求如何影响 IRS 辅助的 SWIPT 传输的联合设计与可行性？
• RQ3 哪些低复杂度算法可以可靠地收敛到耦合的 TPC 与相位移优化问题的 KKT 点？
• RQ4 将 IRS 部署在 ERs 附近对可行工作范围和能量收集性能的影响是怎样的？
• RQ5 通道条件和路径损耗指数如何影响 IRS 在 SWIPT 环境中的收益？

主要发现

• 在 SWIPT-MIMO 系统中引入 IRSs 能显著提升能量收集性能，并能扩大 ER 的工作范围。
• 所提出的基于 BCD 的算法对联合 TPC 与相位移优化能够快速收敛到 KKT 点。
• 通过 WMMSE 重构对问题解耦，并使用 SCA、MM 与对偶方法求解子问题，得到一个可行且高效的优化框架。
• 可行性研究表明 EH 约束可能限制解的可行性，专门的可行性检验方法有助于判断问题的可解性。
• 仿真结果证实了 IRS 辅助的 SWIPT 带来性能提升，并说明了 IRS 放置和路径损耗对系统性能的重要性。