[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Aided Multi-User Communication: Capacity Region and Deployment Strategy

Shuowen Zhang, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 36被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を支援する2ユーザー上行きおよび下行き通信システムの容量領域を調査し、集中型と分散型のIRS展開戦略を比較している。上り行き・下り行きの双対性を用いて可能な速率領域を導出し、対称的なチャネル条件において集中型展開が分散型展開を上回ることを示しており、最適化された位相シフトとチャネルの活用により、より高いユーザー速率を達成する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a new promising technology that is able to reconfigure the wireless propagation channel via smart and passive signal reflection. In this paper, we investigate the capacity region of a two-user communication network with one access point (AP) aided by $M$ IRS elements for enhancing the user-AP channels, where the IRS incurs negligible delay, thus the user-AP channels via the IRS follow the classic discrete memoryless channel model. In particular, we consider two practical IRS deployment strategies that lead to different effective channels between the users and AP, namely, the distributed deployment where the $M$ elements form two IRSs, each deployed in the vicinity of one user, versus the centralized deployment where all the $M$ elements are deployed in the vicinity of the AP. First, we consider the uplink multiple-access channel (MAC) and derive the capacity/achievable rate regions for both deployment strategies under different multiple access schemes. It is shown that the centralized deployment generally outperforms the distributed deployment under symmetric channel setups in terms of achievable user rates. Next, we extend the results to the downlink broadcast channel (BC) by leveraging the celebrated uplink-downlink (or MAC-BC) duality framework, and show that the superior rate performance of centralized over distributed deployment also holds. Numerical results are presented that validate our analysis, and reveal new and useful insights for optimal IRS deployment in wireless networks.

研究の動機と目的

• IRS支援の2ユーザー多アクセスおよびブロードキャストチャネルの容量領域を特徴づけること。
• 集中型と分散型のIRS展開戦略の間で、達成可能な速率の観点から性能を比較すること。
• マルチユーザー環境におけるスペクトル効率およびエネルギー効率の最適化のため、IRSの反射係数を最適化すること。
• 将来の6Gネットワークにおける最適なIRS展開のための設計インサイトを提供すること。

提案手法

• 上り行き・下り行き（MAC-BC）双対性を用いて、上り行きマルチアクセスチャネル（MAC）の結果を下り行きブロードキャストチャネル（BC）に拡張する。
• 異なる複数アクセス方式を想定した下で、集中型および分散型のIRS展開における容量領域を導出する。
• 凸最適化技術を適用して、反射係数設計問題を解き、位相シフトを最大速率を達成するために最適化する。
• レートスプリッティングと電力割り当て最適化を用いて、容量領域の内包境界を計算する反復的アルゴリズムを提案する。
• ユニットモジュラス制約を含む緩和された凸問題定式化を用いて、最適なIRS位相シフトを効率的に求める。
• 数学的証明を用いて、最適な反射係数が常に単位大きさを有することを示し、最適化を簡素化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2ユーザー系において、集中型IRS展開は分散型展開に比べて、達成可能な速率領域でどのように異なるか？
• RQ2 最適な位相シフト設計を伴うIRS支援2ユーザー多重アクセスチャネル（MAC）の容量領域は何か？
• RQ3 上り行き・下り行き双対性フレームワークは、IRS支援ブロードキャストチャネルに適用可能であり、同等の容量領域を導出可能か？
• RQ4 対称的チャネル条件下で、集中型IRS展開は分散型展開に比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ5 異なるIRS展開戦略は、マルチユーザー無線システムのスペクトル効率および信頼性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 対称的チャネル設定において、集中型IRS展開は、より良いチャネル活用により分散型展開よりも高いユーザー速率を達成する。
• 集中型展開下では、IRS支援MACの容量領域は、分散型展開よりも厳密に大きい。
• 上り行き・下り行き双対性フレームワークにより、上り行きMACの結果が下り行きBCにうまく拡張され、同じ速率領域構造が保持された。
• 最適なIRS反射係数は常に単位大きさを有するため、設計が簡素化され、最大信号ゲインが保証される。
• 数値結果により、集中型展開が特に高SNR領域で顕著なスペクトル効率の向上をもたらすことが確認された。
• 提案された反復的アルゴリズムは、容量領域の妥当な内包境界に収束し、実用的応用性を示した。