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

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 32被引用数 103

ひとこと要約

本論文は、単一ユーザーおよびマルチユーザー設定において、SINR制約の下、AP送信電力を最小化するためにAP送信ビームフォーミングとIRS位相シフトを共同最適化する。 SDRと反復最適化アプローチを用い、最適位相設計下のN^2ゲインを示すNスケーリング法則を導出している。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned to be a new and revolutionizing technology for achieving spectrum and energy efficient wireless communication networks cost-effectively in the future. 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/or interference suppression at designated receivers. In this paper, we study an IRS-aided multiuser 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 multiple single-antenna users. As such, each user receives the superposed signals from the AP as well as the IRS via its reflection. We aim to minimize the total transmit power at the AP by jointly optimizing the transmit beamforming by active antenna array at the AP and reflect beamforming by passive phase shifters at the IRS, subject to users' individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints. However, the formulated problem is non-convex and difficult to be solved optimally.

研究の動機と目的

• IRSを用いて伝搬チャネルを形作ることでスペクトラムとエネルギー効率の良い無線ネットワークを動機づける。
• 個別ユーザー SINR 制約下での総AP送信電力を最小化する共同APビームフォーミングとIRS位相シフトを定式化・解決する。
• 単一ユーザーおよびマルチユーザーのシナリオに対する可用性条件を分析し、実用的なアルゴリズム的アプローチを提供する。
• 送信電力のスケーリングを特徴づけ、IRS支援性能を従来システムと比較する。

提案手法

• 多アンテナAP、N素子のIRS、K人の単一アンテナユーザーを用いたAP-IRS-ユーザー下りリンクをモデル化する。
• SINR制約と単位モジュラスIRS位相シフトを満たす総AP送信電力を最小化する問題式（P1）を定式化する。
• 単一ユーザ問題（P2）に対して半正定値緩和（SDR）を適用し下限と近似解を得る；ランダム化を用いてランク1解を抽出する。
• 閉形式で更新されるIRS位相シフトとAPビームフォーミング方向を交互に更新するアルゴリズムを開発し、収束を保証する。
• 性能と計算量のトレードオフを取る二つのサブ最適アルゴリズムを用いてマルチユーザーケースへ拡張する。
• 最適な位相設計の下でNが無限大の場合の解析的洞察と電力スケーリング法則を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AP送信ビームフォーミングとIRS位相シフトの共同最適化はSINR目標を満たしつつAP送信電力を最小化できるか？
• RQ2 単一ユーザーおよびマルチユーザーケースの非凸共同設計問題を効率的に解くアルゴリズムは何か？
• RQ3 IRSは実現可能性にどのように影響し、問題の実現可能性を保証する条件は何か？
• RQ4 最適な位相設計の下でIRS要素数Nに対する漸近的な電力スケーリングは何か？
• RQ5 IRS支援性能は従来のマッシブMIMOやAFリレーのベンチマークとどう比較されるか？

主な発見

• APビームフォーミングとIRS位相を共同最適化することで、IRSを用いないシステムと比べて必要なAP送信電力を大幅に削減できる。
• IRSの近くの単一ユーザに対して、大Nが大きい場合、最適なIRS位相シフトを用いるとAP送信電力はN^2にスケールする。
• SDRは計算可能な下界を提供し、ランダム化により単一ユーザ問題の近似品質保証を与える。
• 交互最適化は位相シフトとビームフォーミングの閉形式更新を生み出し、定常解へ収束する。
• 数値結果はIRS強化スキームがマッシブMIMOなどIRS無しのベンチマークより有意な性能向上を示す。