[论文解读] Joint Design of Transmit Beamforming, IRS Platform, and Power Splitting SWIPT Receivers for Downlink Cellular Multiuser MISO

Shayan Zargari, Shahrokh Farahmand+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 27被引用 16

一句话总结

该论文提出在下行链路多用户MISO系统中联合优化波束成形、智能反射面（IRS）相位偏移和功率分配比例，以最小化基站（BS）的发射功率，同时满足各用户的速率和能量采集服务质量（QoS）约束。采用块坐标下降（BCD）算法以实现最优性能，同时提出基于最大比传输（MRT）和迫零（ZF）的低复杂度次优算法以提升可扩展性。仿真结果表明，使用50个IRS单元时，发射功率最高可降低12 dBw，且即使IRS规模适中，次优设计的性能也优于无IRS的全局最优方案。

ABSTRACT

A multiple antenna base station (BS) with an intelligent reflecting surface (IRS) platform, and several single antenna users are considered in the downlink mode. Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) is utilized by the BS via transmit beamforming to convey information and power to all devices. Each device applies power splitting (PS) to dedicate separate parts of received power to information decoding and energy harvesting. We formulate a total transmit power minimization problem to jointly design the BS beamforming vectors, IRS phase shifts, and PS ratios at the receivers subject to minimum rate and harvested energy quality of service (QoS) constraints at all the receivers. First, we develop a block coordinate descent algorithm, also known as alternating optimization that can decrease the objective function with every iteration with guaranteed convergence. Afterwards, two low-complexity sub-optimal algorithms that rely on well-known maximum ratio transmission and zero-forcing beamforming techniques are introduced. These algorithms are beneficial when the number of BS antennas and/or number of users are large, or coherence times of channels are small. Simulations corroborate the expectation that by deploying a passive IRS, BS power can be reduced by $10-20$ dBw while maintaining similar guaranteed QoS. Furthermore, even the proposed sub-optimal algorithms outperform the globally optimal SWIPT solution without IRS for a modest number of IRS elements.

研究动机与目标

• 最小化下行链路多用户MISO系统中同时无线信息与能量传输（SWIPT）的总发射功率。
• 在满足各用户速率和能量采集QoS约束的前提下，联合优化波束成形向量、IRS相位偏移和接收端功率分配比例。
• 为大规模系统或信道相干时间较短的场景设计低复杂度次优解。

提出的方法

• 建立总发射功率最小化问题，约束条件包括用户最小数据速率和最小能量采集量。
• 应用块坐标下降（BCD）算法，迭代优化波束成形、IRS相位偏移和功率分配比例，确保单调递减并实现收敛。
• 提出两种基于最大比传输（MRT）和迫零（ZF）波束成形的次优算法，以降低计算复杂度。
• 采用半定松弛（SDR）方法处理优化问题中的非凸约束。
• 采用Rician衰落信道模型，包含视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）分量，以实现更真实的传播建模。
• 假设基站和IRS控制器具备完整的信道状态信息（CSI），以实现最优系统设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户MISO SWIPT系统中，联合优化波束成形、IRS相位偏移和功率分配比例是否能降低基站发射功率？
• RQ2 所提出的BCD算法性能与无IRS全局最优解相比如何？
• RQ3 与无IRS的SWIPT系统相比，基于MRT和ZF的次优设计在多大程度上提升了系统性能？
• RQ4 增加IRS单元数量对发射功率降低有何影响？
• RQ5 在IRS辅助系统中，低复杂度波束成形方案是否能超越全局最优解？

主要发现

• 当使用50个IRS单元时，所提出的BCD算法相比无IRS最优解，实现12 dBw的发射功率降低。
• 即使IRS单元数量适中，基于MRT和ZF的次优设计也优于无IRS的全局最优SWIPT方案。
• 随着基站天线数和IRS单元数的增加，发射功率持续降低，表明系统具备良好的可扩展性。
• 在低信噪比（SINR）区域，BCD解的发射功率显著低于次优设计，而在高SINR区域，性能差距逐渐缩小。
• IRS的部署使低天线数的基站能够实现与大规模MIMO系统相当的性能，显著降低发射功率。