[論文レビュー] Beamforming Designs and Performance Evaluations for Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Communication System with Hardware Impairments.

Yiming Liu, Erwu Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、ハードウェア制限を伴うIRS支援無線システムにおける低複雑性ビームフォーミング設計を提案する。線形MMSEチャネル推定と勾配降下法に基づく反射ビームフォーミングアルゴリズムを用い、高スペクトル効率および高エネルギー効率を達成可能であることを示している。高価な高精度ハードウェアを用いなくても、実用的な制限下でも性能を発揮可能である。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) can effectively control the wavefront of the impinging signals, and has emerged as a promising way to improve the energy and spectrum efficiency of wireless communication systems. Most existing studies were conducted with an assumption that the hardware operations are perfect without any impairment. However, both physical transceiver and IRS suffer from non-negligible hardware impairments in practice, which will bring some major challenges, e.g., increasing the difficulty and complexity of the beamforming designs, and degrading the system performance. In this paper, by taking hardware impairments into consideration, we make the transmit and reflect beamforming designs and evaluate the system performance. First, we utilize the linear minimum mean square error estimator to make the channel estimations, and analyze the factors that affect estimation accuracy. Then, we derive the optimal transmit beamforming vector, and propose a gradient descent method-based algorithm to obtain a sub-optimal reflect beamforming solution. Next, we analyze the asymptotic channel capacities by considering two types of asymptotics with respect to the transmit power and the numbers of antennas and reflecting elements. Finally, we analyze the power scaling law and the energy efficiency. By comparing the performance of our proposed algorithm with the upper bound on the performance of global optimal reflect beamforming solution, the simulation results demonstrate that our proposed algorithm can offer an outstanding performance with low computational complexity. The simulation results also show that there is no need to cost a lot on expensive antennas to achieve both high spectral efficiency and energy efficiency when the communication system is assisted by an IRS and suffer from hardware impairments.

研究の動機と目的

• インテリジェント反射表面（IRS）支援無線通信システムにおけるハードウェア制限の課題に対処すること。
• 実用的なハードウェアの不具合に強く耐性を持つ送信および反射ビームフォーミング設計を行うこと。
• スペクトル効率、エネルギー効率、容量スケーリング則の観点からシステム性能を評価すること。
• 現実的なハードウェア制約下でのパワースケーリング則とエネルギー効率を分析すること。
• 高価な高精度ハードウェア部品に依存せずに、高い性能を達成可能であることを示すこと。

提案手法

• ハードウェア制限下でも正確なチャネル状態情報の取得を実現するため、線形最小平均二乗誤差（LMMSE）推定を用いる。
• ハードウェア制限の制約下での最適送信ビームフォーミングベクトルを導出する。
• 部分最適な反射ビームフォーミング解を計算する勾配降下法に基づくアルゴリズムを提案する。
• 高送信電力および多数のアンテナ／反射素子の下で、2つの状態（高電力および大規模アンテナ／素子）における漸近的チャネル容量を分析する。
• パワースケーリング則を導出し、ハードウェア制限下でのエネルギー効率を評価する。
• 提案アルゴリズムの性能を、グローバル最適反射ビームフォーミングの理論的上限と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェア制限は、IRS支援無線システムにおけるビームフォーミング設計および性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ハードウェア制限は、チャネル推定の正確性およびシステム容量にどのような影響を与えるか？
• RQ3 低複雑性ビームフォーミングアルゴリズムは、ハードウェア制限下でも近似的に最適な性能を達成可能か？
• RQ4 スペクトル効率およびエネルギー効率は、ハードウェア制限下で送信電力およびシステム寸法にどのようにスケーリングするか？
• RQ5 高価な高精度ハードウェア部品に依存せずに、高スペクトル効率および高エネルギー効率を達成可能か？

主な発見

• 提案された勾配降下法に基づく反射ビームフォーミングアルゴリズムは、著しく低い計算複雑性でグローバル最適解に近い性能を達成する。
• ハードウェア制限はシステム性能を低下させるが、適切に設計されたビームフォーミングにより高スペクトル効率を維持可能である。
• 漸近的解析から、送信電力の増加およびアンテナ数・反射素子数の増加に伴い、システム容量が増加することが示された。
• パワースケーリング則は、IRSを導入することで送信電力を低減してもスペクトル効率を維持可能であることを示唆している。
• エネルギー効率はIRSの導入により向上し、実用的な制限下でも高価なハードウェアを用いずに高い性能が達成可能である。
• シミュレーション結果から、高スペクトル効率および高エネルギー効率を達成するためには、高価な高精度ハードウェアが必ずしも必要でないことが確認された。