[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Aided Full-Duplex Communication: Passive Beamforming and Deployment Design

Yunlong Cai, Minjian Zhao+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 37被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、全二重モード（FD）通信システムにおける全帯域の送信電力を最小化するために、知能反射表面（IRS）を支援する手法を提案する。本研究では、受信電波の位相を最適化する受動ビームフォーミングとIRSの配置最適化を統合的に最適化するための効率的なブロック座標降下（BCD）アルゴリズムを設計した。3つの配置シナリオ（分散型および2種類の集中型IRS配置）を検討し、FD方式にIRSを適用した場合、半二重モード（HD）や分散型IRS配置と比較して、最も低い電力消費を達成することが示された。

ABSTRACT

This paper investigates the passive beamforming and deployment design for an intelligent reflecting surface (IRS) aided full-duplex (FD) wireless system, where an FD access point (AP) communicates with an uplink (UL) user and a downlink (DL) user simultaneously over the same time-frequency dimension with the help of IRS. Under this setup, we consider three deployment cases: 1) two distributed IRSs placed near the UL user and DL user, respectively; 2) one centralized IRS placed near the DL user; 3) one centralized IRS placed near the UL user. In each case, we aim to minimize the weighted sum transmit power consumption of the AP and UL user by jointly optimizing their transmit power and the passive reflection coefficients at the IRS (or IRSs), subject to the UL and DL users' rate constraints and the uni-modulus constraints on the IRS reflection coefficients. First, we analyze the minimum transmit power required in the IRS-aided FD system under each deployment scheme, and compare it with that of the corresponding half-duplex (HD) system. We show that the FD system outperforms its HD counterpart for all IRS deployment schemes, while the distributed deployment further outperforms the other two centralized deployment schemes. Next, we transform the challenging power minimization problem into an equivalent but more tractable form and propose an efficient algorithm to solve it based on the block coordinate descent (BCD) method. Finally, numerical results are presented to validate our analysis as well as the efficacy of the proposed passive beamforming design.

研究の動機と目的

• 上行リンクと下行リンクの同時伝送を伴うIRS支援型全二重システムにおける、重み付き合計送信電力を最小化すること。
• データレート制約および単位モジュラス反射制約の下で、受動反射係数とIRSの配置位置を最適化すること。
• 分散型、下行リンクユーザーに近い集中型、上行リンクユーザーに近い集中型の3つのIRS配置戦略の性能を比較すること。
• 全二重モードにIRSを適用した場合、半二重モードや集中型配置と比較して、より低い電力消費が達成されることを示すこと。

提案手法

• 個々のレート制約およびIRS反射係数の単位モジュラス制約の下で、送信電力最小化問題を定式化する。
• 変数変換と双対性を用いて、非凸最適化問題をより取り扱いやすい形式に変換する。
• 送信電力とIRS位相シフトを反復的に最適化するためのブロック座標降下（BCD）アルゴリズムを適用する。
• 漸近的解析により、上行リンク電力の上限がIRSサイズNに従って2次的に減少することを示し、スケーラビリティを裏付ける。
• 元の問題と簡略化された比最大化形式との等価性を導出し、計算の効率化を可能にする。
• レイリー fadingチャネルおよびさまざまな配置構成の下で、数値結果を用いて設計を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSの配置は、半二重モードと比較して、全二重モードシステムの電力効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 全二重モードシステムにおいて、分散型IRS配置と集中型IRS配置の相対的性能向上はどの程度か？
• RQ3 同時に上行リンクと下行リンクを伝送する全二重モードシステムにおいて、IRSでの受動ビームフォーミングは、共周波数干渉を効果的に抑制できるか？
• RQ4 IRS反射素子数を増加させると、システムの電力消費および収束特性にどのような影響が生じるか？
• RQ5 異なる配置戦略の下で、IRS支援型全二重モードシステムにおける理論的最小送信電力はどの程度か？

主な発見

• すべての配置戦略において、IRS支援型全二重モードシステムは、半二重モードシステムよりも低い送信電力を達成しており、FDのスペクトル効率の向上が裏付けられた。
• 上行リンクユーザーに近いIRSと下行リンクユーザーに近いIRSを配置する分散型IRS配置が、最も低い電力消費を達成し、両方の集中型配置よりも優れた性能を示した。
• 提案されたBCDベースのアルゴリズムは、高い精度ですべてのレート制約および位相シフト制約を満たす解に収束することが確認された。
• IRS素子数Nが増加するにつれて、最小送信電力の上限が2次的に減少する傾向を示し、強力なスケーラビリティが裏付けられた。
• 理論的解析により、元の問題と等価な最適化問題が同じ最適解を持つことが確認され、計算の効率化が可能であることが示された。
• 数値結果により、提案手法の優位性が検証され、従来のFDおよびHDシステムと比較して顕著な電力節約が達成された。