[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface-Aided Joint Processing Coordinated Multipoint Transmission

Meng Hua, Qingqing Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 54被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、基地局のビームフォーミングとIRSの位相シフトを共同で最適化することにより、セルエッジユーザーの最小レートを最大化する、知能反射表面（IRS）を支援する共同処理協調多重接続（JP-CoMP）伝送方式を提案する。最小二乗誤差（MSE）の再定式化と反復最適化を用いることで、従来のCoMPに比べて顕著なスペクトル効率の向上を達成し、数値結果ではIRSの導入によりレートが著しく向上することが示されている。

ABSTRACT

This paper investigates intelligent reflecting surface (IRS)-aided multicell wireless networks, where an IRS is deployed to assist the joint processing coordinated multipoint (JP-CoMP) transmission from multiple base stations (BSs) to multiple cell-edge users. By taking into account the fairness among cell-edge users, we aim at maximizing the minimum achievable rate of cell-edge users by jointly optimizing the transmit beamforming at the BSs and the phase shifts at the IRS. As a compromise approach, we transform the non-convex max-min problem into an equivalent form based on the mean-square error method, which facilities the design of an efficient suboptimal iterative algorithm. In addition, we investigate two scenarios, namely the single-user system and the multiuser system. For the former scenario, the optimal transmit beamforming is obtained based on the dual subgradient method, while the phase shift matrix is optimized based on the Majorization-Minimization method. For the latter scenario, the transmit beamforming matrix and phase shift matrix are obtained by the second-order cone programming and semidefinite relaxation techniques, respectively. Numerical results demonstrate the significant performance improvement achieved by deploying an IRS. Furthermore, the proposed JP-CoMP design significantly outperforms the conventional coordinated scheduling/coordinated beamforming coordinated multipoint (CS/CB-CoMP) design in terms of max-min rate.

研究の動機と目的

• マス・MIMOおよび超高密度ネットワークの高コスト・高消費電力問題を低コストでエネルギー効率の高い代替手段として、知能反射表面（IRS）を導入することにより解決する。
• マルチセルネットワークにおけるセルエッジユーザー間の公平性の問題を解消するため、すべてのユーザーにおける最小実現可能レートを最大化する。
• 基地局の送信ビームフォーミングとIRSの位相シフトを共同で最適化することで、スペクトル効率とユーザーの公平性を向上させる。
• 非凸最適化問題を解くために、最小二乗誤差（MSE）最小化と逐次凸近似に基づく部分最適な反復アルゴリズムを開発する。
• 単一ユーザーおよび複数ユーザーの両状況において、提案されたIRSを支援するJP-CoMP設計の性能を評価し、従来の協調スケジューリング／協調ビームフォーミング（CS/CB-CoMP）と比較する。

提案手法

• ラグランジュ双対性とDuncan-Guttman恒等式を用いて、非凸な最大最小レート問題をMSEに基づく等価最適化問題に変換する。
• 単一ユーザーの場合、双対部分勾配法を用いて最適ビームフォーミングを導出し、主要化最小化（MM）アルゴリズムを用いてIRSの位相シフトを最適化する。
• 複数ユーザーの場合、2次錐プログラミング（SOCP）を用いてビームフォーミング行列を最適化し、非凸な位相シフト制約を処理するために半定値緩和（SDR）を用いる。
• ビームフォーミングと位相シフト最適化を分離するためにラグランジュ双対定式を導入し、両変数の反復的改善を可能にする。
• KKT条件を用いて、MMSE解に基づく最適ビームフォーミングおよび受信フィルタ行列の閉形式表現を導出する。
• ベクトル化された行列表現とトレース恒等式を用いて、パワー制約とレート制約を再定式化し、反復アルゴリズムにおける効率的実装を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSの導入は、マルチセル共同処理協調多重接続（JP-CoMP）システムにおけるスペクトル効率と公平性をどのように向上させるか？
• RQ2 基地局の送信ビームフォーミングとIRSの位相シフトを最適に統合することで、セルエッジユーザーの最小レートを最大化するにはどうすればよいか？
• RQ3 提案されたIRSを支援するJP-CoMP方式は、従来のCS/CB-CoMPと比較して、最大最小レートと公平性の観点でどの程度優れているか？
• RQ4 非凸な最大最小レート問題は、MSE最小化と逐次凸近似を用いて効果的に変換・解けるか？
• RQ5 単一ユーザーと複数ユーザーの両状況におけるIRSを支援するJP-CoMPの性能向上は何か？また、最適化手法はスケーラブルか？

主な発見

• 提案されたIRSを支援するJP-CoMP方式は、従来のCS/CB-CoMPと比較して、セルエッジユーザーの最小実現可能レートを顕著に向上させ、スペクトル効率の大幅な向上を示している。
• 数値結果では、IRSの導入により、反射素子数$ N $に対して$ ext{O}(N^2) $の二乗電力ゲインが達成され、SNRが2次的に増加することが示された。
• MSE最小化と逐次凸近似に基づく反復アルゴリズムは、高品質な部分最適解に収束する。特に単一ユーザーの場合、双対部分勾配最適化によりグローバル最適ビームフォーミングが達成される。
• MMに基づく位相シフト最適化は、局所最適解に収束し、目的信号を建設的（コherent）に、干渉信号を破壊的（destructive）に整合させるように位相シフト行列が設計されている。
• ビームフォーミングと受動的ビームフォーミングの共同最適化のおかげで、特にセルエッジカバレッジと公平性の観点で、従来のCoMP技術を上回る最大最小レート性能を達成している。
• 1,720素子を有する大規模IRSの総消費電力はわずか0.280 Wであり、IRSが低コストで導入可能なエネルギー効率の高いソリューションであることが確認された。