[論文レビュー] Intelligent reflecting surface assisted multi-cell multi-band wireless networks

Wenhao Cai, Rang Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、周波数依存性を有する実用的IRS位相シフトモデルを用いて、ハードウェア制限を反映させたインтелиジェント反射表面（IRS）を支援するマルチセルマルチバンド無線ネットワークにおける連携送信および反射ビームフォーミング設計を提案する。この手法は、合計送信電力を顕著に低減し、特に周波数選択性を持つマルチバンド環境下で、理想モデルに基づく設計を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is deemed as a promising and revolutionizing technology for future wireless communication systems owing to its capability to intelligently change the propagation environment and introduce a new dimension into wireless communication optimization. Most existing studies on IRS are based on an ideal reflection model. However, it is difficult to implement an IRS which can simultaneously realize any adjustable phase shift for the signals with different frequencies. Therefore, the practical phase shift model, which can describe the difference of IRS phase shift responses for the signals with different frequencies, should be utilized in the IRS optimization for wideband and multi-band systems. In this paper, we consider an IRS-assisted multi-cell multi-band system, in which different base stations (BSs) operate at different frequency bands. We aim to jointly design the transmit beamforming of BSs and the reflection beamforming of the IRS to minimize the total transmit power subject to signal to interference-plus-noise ratio (SINR) constraints of individual user and the practical IRS reflection model. With the aid of the practical phase shift model, the influence between the signals with different frequencies is taken into account during the design of IRS. Simulation results illustrate the importance of considering the practical communication scenario on the IRS designs and validate the effectiveness of our proposed algorithm.

研究の動機と目的

• マルチバンドシステムにおける現実的な周波数依存性位相シフトをモデル化することで、IRS研究におけるギャップを埋める。
• 複数の周波数帯域における干渉と実用的IRSハードウェア制約を考慮した連携ビームフォーミング最適化問題を定式化する。
• マルチセル環境下で個々のユーザーのSINR要件を満たしつつ、すべての基地局における合計送信電力を最小化する。
• 実用的IRSモデル下での非凸最適化問題を解くための反復的アルゴリズムを開発する。
• マルチバンド環境下で、現実的IRSモデルを用いることによる性能向上を実証する。

提案手法

• IRS素子の等価回路から導出された、周波数依存応答の違いを捉える実用的IRS位相シフトモデルを提案する。
• 周波数に依存する位相シフトを有する対角行列としてIRS反射行列をモデル化し、各要素の周波数応答をパラメータ化されたベクトル $\mathbf{a}_m$ で表現する。
• すべての基地局における合計送信電力を最小化する非凸最適化問題を定式化し、個々のユーザーのSINR制約と実用的IRSモデルを満たす。
• 問題を二つの部分問題に分解する：バイナリ最適化によるIRSユーザー選択と、CVXを用いた凸緩和による送信ビームフォーマ設計。
• 交互最適化アプローチを採用する：IRSユーザー選択行列 $\mathbf{A}$ を固定し、ビームフォーマ $\mathbf{W}$ を最適化する。次に $\mathbf{W}$ を固定し、$\mathbf{A}$ を反復的に最適化する。
• 各IRS周波数帯域ごとにユーザーを選択するヒューリスティックアルゴリズムを適用し、複数帯域にわたる信号強化を実現するとともに、他の帯域の性能を劣化させないようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的IRS素子の周波数選択性応答は、マルチバンドマルチセルネットワークにおけるビームフォーミング性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非ターゲット周波数信号からの帯域間干渉を無視した場合、IRS支援システム設計にどのような影響が生じるか？
• RQ3 実用的IRSモデルに基づく連携送信および反射ビームフォーミング設計は、理想モデルに基づく設計を上回る性能を達成できるか？
• RQ4 複数帯域にわたるIRSユーザー選択は、合計送信電力およびシステムスペクトル効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 マルチセルマルチバンド環境下で、現実的IRSモデルを用いることで、理想化された仮定と比較してどの程度の性能向上が得られるか？

主な発見

• 提案された実用的IRSモデルは、理想モデルで無視される周波数依存性位相シフトを反映させることで、システム性能を顕著に向上させる。
• シミュレーション結果から、提案アルゴリズムは特にユーザー数や周波数帯域数が増加する際、理想IRSモデルよりも低い合計送信電力を達成することが示された。
• 性能向上は、IRSが複数帯域にわたるユーザーをサービスする場合に顕著であり、帯域間干渉のモデル化の重要性が浮き彫りになる。
• 実用的IRS制約下にあっても、単一帯域でのみユーザーをサービスする手法よりも、IRSユーザー選択を組み込んだアルゴリズムが優れた性能を発揮する。
• IRS素子の数を増やすことで、合計送信電力をさらに低減でき、実用的モデル下でも理想化されたベンチマークと比較して、その利得が持続される。
• w/IRSおよび理想モデル曲線は上界として機能し、現実のIRSハードウェア制限が理論的性能限界に到達できないことを示している。