[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Design for MIMO System by Maximizing Sum-Path-Gains.

Boyu Ning, Zhi Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、送信側のアクティブビームフォーマとIRSにおけるパassingフェーズシフトを共同最適化することでスペクトル効率を最大化する知能反射表面（IRS）支援MIMOシステムを提案する。混合整数非凸問題を解消するため、最大合計利得（MSG）原理を導入し、ADMMを用いて最適化を実行。SVDとウォーター・フィリング・ビームフォーミングを用いて高いスペクトル効率を達成する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) serves as an emerging paradigm to enhance the wireless transmission with a low hardware cost and a reduced power consumption. In this letter, we investigate the IRS-assisted downlink multi-input multi-output (MIMO) system, where an Alice-Bob pair wishes to communicate with the assist of IRS. Our goal is to maximize the spectral efficiency by designing the active beamformer at Alice and the passive reflecting phase shifters (PSs) at the IRS, which turns out to be an intractable mixed integer non-convex optimization problem. To tackle this problem, we propose an efficient algorithm to obtain an effective solution. Specifically, the PSs at the IRS are optimized to maximize the sum of gains of different paths. Such a criterion is also referred to as the maximizing the sum of gains (MSG) principle. Then, an alternating direction method of multipliers (ADMM) algorithm is developed to solve the MSG-based optimization problem. With the obtained PSs, the beamformer at Alice is obtained by classic singular value decomposition (SVD) and water-filling (WF) solutions.

研究の動機と目的

• 低コスト・低消費電力なハードウェアを備えたIRS支援下行MIMOシステムにおけるスペクトル効率の向上を目的とする。
• アクティブビームフォーミングとパassingフェーズシフトの共同設計に起因する解けない混合整数非凸最適化問題に対処すること。
• 共同最適化を解ける部分問題に分解する効率的なアルゴリズムの開発。
• すべての多重経路成分におけるパス利得の合計を最大化し、システムのスペクトル効率を向上させること。

提案手法

• IRSにおけるパassingフェーズシフトを最適化するために、すべての伝搬経路における総電力利得を最大化する「最大合計利得（MSG）」原理を提案する。
• MSGに基づく最適化問題を効率的に解くために、交替方向乗数法（ADMM）を適用する。
• フェーズシフトが決定された後、送信側における最適アクティブビームフォーマを特異値分解（SVD）を用いて計算する。
• ビームフォームド信号に対するウォーター・フィリング（WF）電力割り当てを適用し、さらにスペクトル効率を向上させる。
• 共同最適化を2段階の順次処理に分解する：フェーズシフト最適化の次にビームフォーマ設計を実行。
• 非凸性およびフェーズシフト変数の整数制約に対処するため、凸緩和と反復的精錬戦略を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援MIMOシステムにおけるアクティブビームフォーミングとパassingフェーズシフトの共同設計を、スペクトル効率を最大化するように最適化する方法は何か？
• RQ2 IRSビームフォーミングにおける解けない混合整数非凸最適化問題を簡略化する有効なヒューリスティック基準は何か？
• RQ3 ADMMアルゴリズムは、MSGに基づくフェーズシフト最適化問題を収束保証とともに効果的に解けるか？
• RQ4 提案手法のMSGベースのアプローチは、IRSなしの従来のビームフォーミングや固定フェーズシフトを用いた場合と比較して、スペクトル効率でどのように優れているか？

主な発見

• MSG原理により、解けない共同最適化問題がパス利得の合計を最大化することに焦点を当てることで、取り扱いやすい問題に変換される。
• ADMMに基づくアルゴリズムは、効率的に収束し、フェーズシフト最適化問題に対して高品質な解を提供する。
• フェーズシフト最適化後にSVDとウォーター・フィリング・ビームフォーミングを組み合わせることで、ほぼ最適なスペクトル効率が達成される。
• シミュレーション結果により、従来のIRSなしのビームフォーミングや固定フェーズシフトを用いた場合と比較して、提案手法が顕著にスペクトル効率を向上させていることが示された。