[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Network: Two-timescale Beamforming Optimization

Minjian Zhao, Qingqing Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用数 70

ひとこと要約

長期的離散IRS位相シフトをS-CSIで、短期のアクティブプリコーディングをI-CSIで最適化して平均総和レートを最大化する、IRS支援マルチユーザ MISO システム向けの二時スケール（TTS）ビームフォーミングフレームワークを提案する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) has drawn a lot of attention recently as a promising new solution to achieve high spectral and energy efficiency for future wireless networks. By utilizing massive low-cost passive reflecting elements, the wireless propagation environment becomes controllable and thus can be made favorable for improving the communication performance. Prior works on IRS mainly rely on the instantaneous channel state information (I-CSI), which, however, is practically difficult to obtain for IRS-associated links due to its passive operation and large number of elements. To overcome this difficulty, we propose in this paper a new two-timescale (TTS) transmission protocol to maximize the achievable average sum-rate for an IRS-aided multiuser system under the general correlated Rician channel model. Specifically, the passive IRS phase-shifts are first optimized based on the statistical CSI (S-CSI) of all links, which varies much slowly as compared to their I-CSI, while the transmit beamforming/precoding vectors at the access point (AP) are then designed to cater to the I-CSI of the users' effective channels with the optimized IRS phase-shifts, thus significantly reducing the channel training overhead and passive beamforming complexity over the existing schemes based on the I-CSI of all channels. For the single-user case, a novel penalty dual decomposition (PDD)-based algorithm is proposed, where the IRS phase-shifts are updated in parallel to reduce the computational time. For the multiuser case, we propose a general TTS optimization algorithm by constructing a quadratic surrogate of the objective function, which cannot be explicitly expressed in closed-form. Simulation results are presented to validate the effectiveness of our proposed algorithms and evaluate the impact of S-CSI and channel correlation on the system performance.

研究の動機と目的

• 実用的な離散位相シフトの下で大規模IRSを用いたIRSチャネル推定とビームフォーミングの課題を動機づけ、対処する。
• IRS設定には統計的CSIを、APプリコーディングには瞬時CSIを用いる二時スケール伝送プロトコルを開発する。
• TTS問題を最適化するための単一ユーザ（PDDベース）およびマルチユーザ（SSCAベース）シナリオ向けの効率的アルゴリズムを提案する。
• チャネル相関と決定論的成分がTTS性能に与える影響を分析する。
• 実用的な制約下で、S-CSIを用いたIRSがIRSなしのシステムに対して有意なレート利得を示す。

提案手法

• N 個の素子を持つ IRS と M 個のアンテナを備えた AP を持つマルチユーザ MISO ダウンリンクをモデル化する。
• AP-IRS、IRS-ユーザ、および AP-ユーザリンクに対して相関のあるリチャード(Rician)フェージング チャネルモデルを採用する。
• 長期IRS位相シフトと短期プリコーディングを用いて平均重み付き和レートを最大化する二時スケール最適化問題を定式化する。
• 単一ユーザの場合、平均レートの上限を導出し、並列化可能なPDDベースのアルゴリズムで決定論的な非凸問題を解く。
• マルチユーザの場合、目的関数の二次代替を構築しラグランジュ双対法で解くTTS SSCAアルゴリズムを開発し、固定IRS位相にはWMMSEを用いる。
• 位相値を有限集合に制限することで離散位相シフトを組み込み、S-CSIとI-CSIの影響を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 訓練と計算を低減するために、統計CSIのみを用いてIRS位相シフトを最適設計するにはどうすればよいか。
• RQ2 IRS位相が固定されたときの瞬時有効チャネルを考慮して、各タイムスロットでAPの送信プリコーディングをどのように適応させるべきか。
• RQ3 離散位相シフトと相関リッチアンチャネル下での二時スケール方式の性能向上はどの程度か。
• RQ4 チャネルの決定論的成分と空間相関はTTS最適化性能にどう影響するか。
• RQ5 並列化可能なアルゴリズム（PDD、SSCA）は、完全なI-CSIベース設計と比較して計算量を抑えつつほぼ最適解を提供できるか。

主な発見

• 提案されたTTS方案は、長期IRS設計（S-CSI）と短期 AP プリコーディング（I-CSI）を分離することで、訓練オーバーヘッドとパッシブビームフォーミングの複雑さを低減する。
• 単一ユーザの場合、PDDベースのアルゴリズムがIRS位相シフトを並列更新可能にし、離散位相シフトの下で準最適な性能を達成する。
• マルチユーザの場合には、二次代替を用いた一般的なSSCAベースのアルゴリズムを開発し、IRS位相の更新にはラグランジュデュアル法、短期プリコーディングにはWMMSEを用いる。
• シミュレーションは、S-CSIを用いたIRSがIRSなしのシステムに比べてレートを大幅に改善できることを示し、より大きな決定論的成分や高い相関は、理想的なI-CSIと比較してS-CSI使用時のレート損失を小さくできる可能性を示す。
• このフレームワークは離散位相シフトを受け入れ、訓練と計算負荷を低減した実用的な性能向上を示す。