[論文レビュー] Analysis and Optimization of an Intelligent Reflecting Surface-assisted System with Interference

Yuhang Jia, Chencheng Ye+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 32被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、瞬時および統計的CSIを用いて、共信道干渉下におけるインテリジェント反射表面（IRS）支援マルチアンテナシステムの最適な準静的位相シフト設計を提案する。平均速率および確率的速率の取り扱いやすい表現を導出し、特定の条件下でグローバル最適解を提供するとともに、一般ケースに対して反復的PCDアルゴリズムを提案し、干渉制限環境下で既存手法と比較して顕著な性能向上を示している。

ABSTRACT

In this paper, we study an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted system where a multi-antenna base station (BS) serves a single-antenna user with the help of a multi-element IRS in the presence of interference generated by a multi-antenna BS serving its own single-antenna user. The signal and interference links via the IRS are modeled with Rician fading. To reduce phase adjustment cost, we adopt quasi-static phase shift design where the phase shifts do not change with the instantaneous channel state information (CSI). We investigate two cases of CSI at the BSs, namely, the instantaneous CSI case and the statistical CSI case, and apply Maximum Ratio Transmission (MRT) based on the complete CSI and the CSI of the Line-of-sight (LoS) components, respectively. Different costs on channel estimation and beamforming adjustment are incurred in the two CSI cases. First, we obtain a tractable expression of the average rate in the instantaneous CSI case and a tractable expression of the ergodic rate in the statistical CSI case. We also provide sufficient conditions for the average rate in the instantaneous CSI case to surpass the ergodic rate in the statistical CSI case, at any phase shifts. Then, we maximize the average rate and ergodic rate, both with respect to the phase shifts, leading to two non-convex optimization problems. For each problem, we obtain a globally optimal solution under certain system parameters, and propose an iterative algorithm based on parallel coordinate descent (PCD) to obtain a stationary point under arbitrary system parameters. Next, in each CSI case, we provide sufficient conditions under which the optimal quasi-static phase shift design is beneficial, compared to the system without IRS. Finally, we numerically verify the analytical results and demonstrate notable gains of the proposal solutions over existing ones.

研究の動機と目的

• 2つの基地局が共有IRSを介してユーザーをサービスするIRS支援マルチアンテナシステムにおける干渉の課題に対処すること。
• 瞬時のCSIに依存しない準静的位相シフト設計を採用することで、位相調整コストを低減すること。
• 瞬時のCSIおよびLoS成分の統計的CSIの2つのCSIレジーム下で、システム性能を最大化すること。
• IRS設置が非IRSシステムを上回る性能を発揮する十分条件を導出すること。
• 任意のシステムパrameterを想定した下で、グローバル最適または定常位相シフト解を得るための反復的並列座標降下（PCD）アルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 信号および干渉リンクの両方にRician fadingを仮定したIRS支援システムをモデル化する。
• 瞬時のCSI下での平均速率および統計的CSI下での確率的速率に対して取り扱いやすい表現を導出する。
• それぞれ完全なCSIおよびLoS成分のCSIに基づいて最大比伝送（MRT）を適用する。
• 位相シフトに関する平均および確率的速率の最大化を目的とした非凸最適化フレームワークを提案する。
• 非凸問題の定常解を得るための反復的並列座標降下（PCD）アルゴリズムを開発する。
• 性能優位性に関する解析的バインドおよび十分条件を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LoS成分が強く干渉が弱い場合、位相シフトにかかわらず、瞬時のCSI下での平均速率が統計的CSI下での確率的速率を上回る条件は何か？
• RQ2 平均速率および確率的速率問題において、グローバル最適な準静的位相シフト設計が達成可能な状況はどのようなものか？
• RQ3 IRSが非IRSシステムを上回る性能向上を提供するための十分条件は何か？
• RQ4 準静的位相シフト下で、IRS要素数およびチャネル統計に従ってシステム性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 量子化位相シフトが実現可能な速率に与える影響は何か？また、その影響をどのようにバインドできるか？

主な発見

• LoS成分が強く干渉が弱い場合、瞬時のCSI下での平均速率は統計的CSI下での確率的速率を上回る可能性がある。
• LoS電力が支配的で干渉が無視できる場合、位相シフト設計のグローバル最適性が達成される。
• 提案されたPCDアルゴリズムは、任意のシステム構成に対して定常解に収束することが保証され、実用的応用が可能である。
• 特に高干渉環境下では、非IRSおよび従来のIRS方式と比較して顕著なデータレート向上が達成される。
• 量子化位相シフト下での実現可能速率の上界は、解像度が高くなるに従って減少し、大規模なIRSアパーチャーではバインドがきつくなる。
• LoS成分が十分に強い限り、干渉が強くてもIRS設置が有益であることが示される十分条件が導出された。