[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Network: Joint Active and Passive Beamforming Design

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

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

ひとこと要約

本稿では、マルチアンテナアクセスポイント（AP）における共同アクティブ送信ビームフォーミングと知能反射表面（IRS）におけるパassingフェーズシフト最適化を提案し、単一アンテナユーザーにおける受信信号パワーを最大化することを目的としている。半定値緩和と交互最適化を活用することで、中央集権的および分散型のアルゴリズムが近似的最適性能を達成し、特に低SNRまたは視線外（non-line-of-sight）環境において、スペクトル効率とカバレッジを顕著に向上させる。これは、受動的で低コストなIRSを用いることで実現され、コherent信号結合による$N^2$ビームフォーミングゲインを達成する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned to have abundant applications in future wireless networks by smartly reconfiguring the signal propagation for performance enhancement. Specifically, an IRS consists of a large number of low-cost passive elements each reflecting the incident signal with a certain phase shift to collaboratively achieve beamforming and suppress interference at one or more designated receivers. In this paper, we study an IRS-enhanced point-to-point multiple-input single-output (MISO) wireless system where one IRS is deployed to assist in the communication from a multi-antenna access point (AP) to a single-antenna user. As a result, the user simultaneously receives the signal sent directly from the AP as well as that reflected by the IRS. We aim to maximize the total received signal power at the user by jointly optimizing the (active) transmit beamforming at the AP and (passive) reflect beamforming by the phase shifters at the IRS. We first propose a centralized algorithm based on the technique of semidefinite relaxation (SDR) by assuming the global channel state information (CSI) available at the IRS. Since the centralized implementation requires excessive channel estimation and signal exchange overheads, we further propose a low-complexity distributed algorithm where the AP and IRS independently adjust the transmit beamforming and the phase shifts in an alternating manner until the convergence is reached. Simulation results show that significant performance gains can be achieved by the proposed algorithms as compared to benchmark schemes. Moreover, it is verified that the IRS is able to drastically enhance the link quality and/or coverage over the conventional setup without the IRS.

研究の動機と目的

• アクティブリレーや密度の高い小セルとは異なり、受動的で低コストなIRSをグリーンな代替手段として導入することで、5G以降の無線ネットワークにおけるスペクトル効率とエネルギー消費の課題に取り組む。
• 固定位相シフトを持つ従来の反射表面の限界を克服し、知能反射表面を用いてリアルタイムで再構成可能なビームフォーミングを実現する。
• ポイントツーポoinnt MISOシステムにおいて、単一アンテナユーザーの受信信号パワーを最大にするために、APの送信ビームフォーミングとIRSの受動的位相シフトを共同最適化する。
• APとIRS間で完全なチャネル状態情報（CSI）の交換を必要としない、実用的で低複雑度の分散最適化アルゴリズムを設計する。
• IRSの導入による性能向上を、IRSなしの従来の設定と比較し、SNR向上およびカバレッジ拡張の観点から示す。

提案手法

• 直接リンクと反射リンクの両方を考慮して、ユーザーにおける受信信号パワーを最大化するための共同アクティブおよびパassingビームフォーミング最適化問題を定式化する。
• 完全なチャネル状態情報（CSI）の仮定の下で、非凸最適化問題を解くために半定値緩和（SDR）を用いた中央集権的アルゴリズムを提案する。
• 信号伝送のオーバーヘッドを低減するため、APの送信ビームフォーミングとIRSの位相シフトを交互に最適化する低複雑度の分散アルゴリズムを設計する。
• APおよびIRSの各要素に対して取り扱いやすい部分問題に分離可能なように、交互最適化の手法を用いる。
• ベンチマークおよび性能比較のため、APおよびIRSで最大比伝送（MRT）ビームフォーミング戦略を適用する。
• 反射素子数$N$に起因するアレイゲイン（$N$）と、位相整合による受動的ビームフォーミングゲイン（$N$）を組み合わせることで、合計$N^2$ビームフォーミングゲインを達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 APおよびIRSにおける共同アクティブおよびパassingビームフォーミングが、MISOシステムにおける受信信号パワーとスペクトル効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 IRSを用いたシステムの性能は、IRSなしの従来の設定と比較して、SNRおよびカバレッジ拡張の観点でどのように異なるか？
• RQ3 反射素子数$N$が達成可能なSNRに与える影響は何か？理論的に予測された$N^2$スケーリングに従うか？
• RQ4 分散型アルゴリズムは、IRSにグローバルCSIが不要な状態で、最小限の信号伝送オーバーヘッドで近似的最適性能を達成できるか？
• RQ5 ユーザーの位置がAPおよびIRSのどちらに近いかに応じて、AP-MRTとIRS-MRTの各ビームフォーミング戦略の性能にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案された共同ビームフォーミング設計により、反射素子数$N$に起因するアレイゲイン（$N$）と、位相整合による受動的ビームフォーミングゲイン（$N$）の組み合わせにより、合計$N^2$のビームフォーミングゲインが達成された。
• N=30の場合、ユーザーのSNRは18 dBに達し、N=60に増加すると24 dBに上昇し、反射素子数を2倍にしたことで6 dBのゲインが得られた。
• IRSはネットワークのカバレッジを拡張する：目標SNRが8 dBの場合、IRSなしでは約33 m、IRSありでは約50 mにまでカバレッジが拡大され、顕著なカバレッジ拡張が確認された。
• 分散型アルゴリズムは高速に収束し、近似的最適性能を達成しており、信号伝送オーバーヘッドが低いため、実用的導入に適している。
• ユーザーがIRSに近い場合、AP-IRS MRT方式が最も優れた性能を示したが、ユーザーがAPに近い場合にはAP-MRT方式が最適であった。これは、動的で共同最適化の必要性を裏付けている。
• ユーザーがAPおよびIRSの両方からも離れている場合（例：d=43 m）、IRSにおける信号パワーが低下するため、SNRゲインが$N^2$未満にとどまり、ビームフォーミング設計におけるトレードオフが顕在化した。