[论文解读] Robust and Secure Sum-Rate Maximization for Multiuser MISO Downlink Systems with Self-sustainable IRS

Shaokang Hu, Zhiqiang Wei+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 61被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种针对由自供能智能反射面（IRS）辅助的多用户MISO下行链路系统、具备鲁棒性和安全性的和速率最大化方案，该IRS通过无线信号采集能量。通过采用逐次凸逼近算法联合优化波束成形、相位偏移和能量采集调度，该方案在确保IRS能量自主的同时实现了高 spectral efficiency，其性能在大规模IRS孔径下趋于饱和，且受限于相位控制器的分辨率。

ABSTRACT

This paper investigates robust and secure multiuser multiple-input single-output (MISO) downlink communications assisted by a self-sustainable intelligent reflection surface (IRS), which can simultaneously reflect and harvest energy from the received signals. We study the joint design of beamformers at an access point (AP) and the phase shifts as well as the energy harvesting schedule at the IRS for maximizing the system sum-rate. The design is formulated as a non-convex optimization problem taking into account the wireless energy harvesting capability of IRS elements, secure communications, and the robustness against the impact of channel state information (CSI) imperfection. Subsequently, we propose a computationally-efficient iterative algorithm to obtain a suboptimal solution to the design problem. In each iteration, S-procedure and the successive convex approximation are adopted to handle the intermediate optimization problem. Our simulation results unveil that: 1) there is a non-trivial trade-off between the system sum-rate and the self-sustainability of the IRS; 2) the performance gain achieved by the proposed scheme is saturated with a large number of energy harvesting IRS elements; 3) an IRS equipped with small bit-resolution discrete phase shifters is sufficient to achieve a considerable system sum-rate of the ideal case with continuous phase shifts.

研究动机与目标

• 为解决6G网络中IRS部署能耗过高的挑战，通过射频（RF）能量采集实现其自供能。
• 在信道状态信息（CSI）不完美条件下，联合优化多用户MISO下行链路系统中的波束成形、相位偏移和能量采集调度。
• 在确保安全通信和对CSI不确定性具有鲁棒性的前提下，最大化系统和速率。
• 设计一种计算高效的迭代算法，以求解非凸优化问题。

提出的方法

• 构建了一个非凸优化问题，整合了和速率最大化、安全传输、CSI鲁棒性以及IRS能量采集约束。
• 应用S-过程和逐次凸逼近（SCA）方法处理非凸约束，并迭代优化求解。
• 利用拉格朗日对偶和Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件，推导出具有秩一结构的波束成形解。
• 实现一种迭代算法，交替优化波束成形器和IRS相位偏移，同时满足能量采集和服务质量约束。
• 将IRS建模为具有离散相位控制器的无源阵列，并将能量采集效率纳入系统模型。
• 引入对偶分解框架，通过拉格朗日乘子和矩阵不等式处理干扰和保密性约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在能量采集约束下，系统和速率与IRS自供能能力之间的权衡关系如何？
• RQ2 IRS元件数量的增加对和速率增益及能量采集效率的影响如何？
• RQ3 与连续相位偏移相比，低分辨率相位控制器（如1-bit、2-bit、4-bit）对可实现和速率的影响如何？
• RQ4 在发射端存在不完美信道状态信息（CSI）的情况下，所提方案的鲁棒性如何？
• RQ5 自供能IRS是否能在无外部电源支持下实现接近最优的频谱效率？

主要发现

• 系统和速率与IRS自供能能力之间存在非平凡的权衡，即更高的数据速率需要更多能量，从而限制其自主性。
• 当IRS元件数量较大时，性能增益趋于饱和，表明在某一孔径尺寸后增益递减。
• 采用低分辨率（如1–4 bit）相位控制器的IRS可实现理想连续相位偏移器约相当的和速率性能。
• 所提出的迭代算法收敛迅速，且提供具有强实际可行性的次优解。
• 在CSI不确定性下采用鲁棒波束成形设计，显著提升了动态环境中系统的可靠性与保密速率。
• 通过下行链路信号采集能量，可实现IRS长期无外部供电运行，支持可持续的6G网络。