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

Huimei Han, Jun Zhao+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 70被引用 13

一句话总结

本文提出联合发射波束成形与智能反射面（IRS）相位移优化，以最小化物理层广播中的基站（BS）发射功率。通过利用RIS增强信号传播，该方案实现了显著的功率降低——平均发射功率接近理论下限，远低于传统的无RIS系统。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS), a recently introduced technology for future wireless com-munication systems, enhances the spectral and energy efficiency by intelligently adjusting the propaga-tion conditions between a base station (BS) and mobile equipments (MEs). An RIS consists of manylow-cost passive reflecting elements to improve the quality of the received signal. In this paper, westudy the problem of power control at the BS for the RIS aided physical-layer broadcasting. Our goalis to minimize the transmit power at the BS by jointly designing the transmit beamforming at the BSand the phase shifts of the passive elements at the RIS. Furthermore, to help validate the proposedoptimization methods, we derive lower bounds to quantify the average transmit power at the BS as afunction of the number of MEs, the number of RIS elements, and the number of antennas at the BS.The simulation results demonstrated that the average transmit power at the BS is close to the lowerbound in an RIS aided system, and is significantly lower than the average transmit power in conventionalschemes without the RIS.

研究动机与目标

• 在RIS辅助的物理层广播系统中，最小化基站（BS）的发射功率。
• 联合优化基站的发射波束成形与RIS上无源反射单元的相位移。
• 推导平均发射功率的理论下限，作为系统参数（用户设备数量、RIS单元数、BS天线数）的函数。
• 通过仿真验证所提优化方案，并与传统无RIS系统进行性能对比。
• 量化RIS辅助系统在能量效率提升方面的性能增益。

提出的方法

• 联合优化基站的发射波束成形向量与RIS单元的相位移，以最小化总发射功率。
• 在多个移动设备（MEs）的信道质量约束下，建立功率最小化问题。
• 基于系统规模（用户设备数、RIS单元数、BS天线数）推导平均发射功率的理论下限。
• 采用凸松弛与交替优化技术求解非凸联合优化问题。
• 在瑞利衰落信道下，通过蒙特卡洛仿真验证解的性能。
• 将所提方案的平均发射功率与传统无RIS系统进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在物理层广播场景中，通过联合优化波束成形与RIS相位移，可实现多大程度的功率降低？
• RQ2 RIS辅助系统中，平均发射功率的理论下限如何随系统规模变化？
• RQ3 在实际场景中，所提方案与推导出的下限相比性能接近程度如何？
• RQ4 与传统非RIS系统相比，RIS在多大程度上提升了能量效率？
• RQ5 RIS单元数、BS天线数和ME数量如何影响可实现的功率节省？

主要发现

• 所提RIS辅助系统的平均发射功率非常接近推导出的理论下限。
• 所提方案的平均发射功率显著低于传统无RIS系统。
• 随着RIS单元数和BS天线数的增加，性能增益进一步提升。
• 由于实际功率与下限功率之间的差距极小，系统表现出强大的鲁棒性与可扩展性。
• 波束成形与相位移的联合优化在物理层广播中带来了显著的能量效率提升。