[论文解读] Joint Transmit and Reflective Beamforming Design for IRS-Assisted Multiuser MISO SWIPT Systems

Yizheng Tang, Ganggang Ma+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 16被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种智能反射面（IRS）辅助的多用户MISO全息波束成形（SWIPT）系统中联合主动（发射）与被动（反射）波束成形的设计，旨在最大化能量采集（EH）接收机的最小接收功率，同时满足信息解码（ID）接收机的信干噪比（SINR）约束和发射功率限制。通过交替优化与半定松弛（SDR）方法，该算法在20–30次迭代内收敛，并在性能上显著优于未部署IRS或未使用专用能量波束的基准方案。

ABSTRACT

This paper studies an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted multiuser multiple-input single-output (MISO) simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system. In this system, a multi-antenna access point (AP) uses transmit beamforming to send both information and energy signals to a set of receivers each for information decoding (ID) or energy harvesting (EH), and a dedicatedly deployed IRS properly controls its reflecting phase shifts to form passive reflection beams for facilitating both ID and EH at receivers. Under this setup, we jointly optimize the (active) information and energy transmit beamforming at the AP together with the (passive) reflective beamforming at the IRS, to maximize the minimum power received at all EH receivers, subject to individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints at ID receivers, and the maximum transmit power constraint at the AP. Although the formulated SINR-constrained min-energy maximization problem is highly non-convex, we present an efficient algorithm to obtain a high-quality solution by using the techniques of alternating optimization and semi-definite relaxation (SDR). Numerical results show that the proposed IRS-assisted SWIPT system with both information and energy signals achieves significant performance gains over benchmark schemes without IRS deployed and/or without dedicated energy signals used.

研究动机与目标

• 解决在被动智能反射面（IRS）反射的多用户MISO全息波束成形（SWIPT）系统中，能量采集（EH）与信息解码（ID）性能之间的平衡挑战。
• 克服在SINR与功率约束下，联合发射波束成形与反射波束成形优化问题的非凸性。
• 在确保AP最大发射功率限制及ID接收机个体SINR要求的前提下，最大化所有EH接收机的最小接收功率。
• 展示在SWIPT系统中部署IRS并引入专用能量波束相比传统无IRS或无能量波束方案的性能增益。

提出的方法

• 为IRS辅助的多用户MISO全息波束成形（SWIPT）系统中的联合主动与被动波束成形设计，建立一个非凸的SINR约束最小能量最大化优化问题。
• 采用交替优化方法，迭代优化AP处的发射波束成形向量与IRS处的反射相位偏移。
• 利用半定松弛（SDR）处理波束成形优化中的非凸秩一约束，随后通过高斯随机化方法恢复可行解。
• 将问题分解为子问题：在IRS相位偏移固定时优化发射波束成形，随后在波束成形固定时优化IRS相位偏移，交替进行直至收敛。
• 在AP处引入已知的伪随机序列，使ID接收机能对能量信号引起的干扰进行对消。
• 确保解满足最大发射功率约束以及ID接收机的个体SINR要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRS辅助的多用户MISO全息波束成形（SWIPT）系统中，联合设计主动发射波束成形与被动反射波束成形如何提升EH性能？
• RQ2 与无IRS的系统相比，部署IRS对EH接收机最小接收功率有何影响？
• RQ3 在SWIPT系统中，使用专用能量波束如何影响EH与ID性能之间的权衡？
• RQ4 所提出的算法能否高效求解具有高度非凸性的联合波束成形优化问题，并保证收敛性？
• RQ5 SINR阈值与发射功率水平的变化如何影响所提IRS辅助SWIPT系统的性能增益？

主要发现

• 所提算法在20–30次迭代内收敛，表现出快速收敛性与鲁棒性。
• 同时具备信息波束与能量波束的IRS辅助系统在所有基准方案中均实现显著性能增益，尤其在中等SINR阈值下表现突出。
• 与仅使用信息波束的方案相比，专用能量波束成形在中等SINR阈值下可提供显著的EH增益。
• 在极低或极高SINR阈值下，专用能量波束的优势减弱，表明存在性能权衡。
• 在全部发射功率范围内，所提设计均优于所有基准方案，且EH接收机的最小接收功率随发射功率单调增加。
• 配备IRS与专用能量波束的系统所实现的最小EH功率高于无IRS或无能量波束的方案，证实了两者对实现最优性能的必要性。