[论文解读] Large Intelligent Surfaces for Energy Efficiency in Wireless Communication.

Chongwen Huang, Alessio Zappone+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 55

一句话总结

本文通过交替优化、梯度下降和序列分数规划，联合优化发射功率与RIS相位偏移，提出了一种用于RIS辅助多用户下行链路通信的节能资源分配方法。在真实室外场景中，该方法相比传统放大-转发中继技术，能量效率最高提升300%。

ABSTRACT

The adoption of a Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) for downlink multi-user communication from a multi-antenna base station is investigated in this paper. We develop energy-efficient designs for both the transmit power allocation and the phase shifts of the surface reflecting elements, subject to individual link budget guarantees for the mobile users. This leads to non-convex design optimization problems for which to tackle we propose two computationally affordable approaches, capitalizing on alternating maximization, gradient descent search, and sequential fractional programming. Specifically, one algorithm employs gradient descent for obtaining the RIS phase coefficients, and fractional programming for optimal transmit power allocation. Instead, the second algorithm employs sequential fractional programming for the optimization of the RIS phase shifts. In addition, a realistic power consumption model for RIS-based systems is presented, and the performance of the proposed methods is analyzed in a realistic outdoor environment. In particular, our results show that the proposed RIS-based resource allocation methods are able to provide up to $300\%$ higher energy efficiency, in comparison with the use of regular multi-antenna amplify-and-forward relaying.

研究动机与目标

• 解决多用户下行链路无线通信系统中提升能量效率的挑战。
• 在满足各用户速率约束的条件下，设计联合发射功率分配与可重构智能表面（RIS）相位偏移优化方法。
• 开发用于RIS辅助系统中出现的非凸优化问题的计算高效算法。
• 利用真实室外传播模型和RIS硬件的功耗模型评估所提方法。
• 证明基于RIS的系统在能量效率方面优于传统放大-转发中继技术。

提出的方法

• 在满足各用户速率（链路预算）约束的条件下，建立联合功率与相位偏移设计的非凸优化问题。
• 提出两种交替优化算法：一种采用梯度下降优化相位偏移，分数规划优化功率分配。
• 开发第二种算法，利用序列分数规划优化RIS相位偏移，同时通过分数规划保持功率分配。
• 引入考虑反射单元动态重构的RIS硬件真实功耗模型。
• 应用交替最大化方法，将联合优化问题分解为可处理的子问题。
• 利用序列分数规划处理RIS相位偏移优化的非凸性，通过迭代求解分数子问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合优化发射功率与RIS相位偏移是否能显著提升多用户下行链路系统中的能量效率？
• RQ2 梯度下降与序列分数规划在求解非凸RIS优化问题时有何性能对比？
• RQ3 所提RIS设计方案在能量效率方面相比传统放大-转发中继技术的提升程度如何？
• RQ4 真实的RIS功耗模型对整体系统能量效率与优化性能有何影响？
• RQ5 在保证各用户速率约束的前提下，能量效率可实现的增益是多少？

主要发现

• 所提RIS资源分配方法相比传统多天线放大-转发中继技术，能量效率最高提升300%。
• 结合梯度下降优化相位偏移与分数规划优化功率分配，可实现计算高效且有效的解决方案。
• 序列分数规划为优化RIS相位偏移提供了另一种有效方法，具有强收敛特性。
• RIS硬件的真实功耗模型表明，即使考虑动态重构成本，基于RIS的系统仍保持高度能量效率。
• 在真实室外传播环境中，性能增益始终可观测，验证了所提方法的实际适用性。
• 联合优化框架在最大化系统能量效率的同时，成功满足了各用户速率（链路预算）的保障要求。