[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface for Multicell MIMO Communications

Cunhua Pan, Hong Ren+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、マルチセルMIMOシステムにおけるセル境界に知能反射面（IRS）を導入することで、スペクトル効率の向上と同頻セル干渉の低減を目的としている。ブロック座標降下法を用い、MMおよびCCMアルゴリズムにより、基地局の先行処理とIRSの位相シフトを共同最適化することで、重み付き和レートを最大化し、セルエッジユーザーに対して顕著な性能向上を達成している。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned to be a disruptive and revolutionizing technology that can achieve both spectral and energy efficient wireless communications and provide a radio-controllable environment. In specific, IRS is a planar that consists of a large number of passive reflection elements that that induce phase shifts on the impinging electromagnetic waves so that the reflected signal can be constructively added at the desired user or destructively at the unintended users. In this paper, we propose to deploy an IRS at cell boundary of multiple cells to assist the transmission for cell-edge users, and also help alleviate the inter-cell interference, which is a crucial issue in multicell communication systems. We aim to maximize the weighted sum rate (WSR) of all users through jointly optimizing the active precoding matrices at the BSs and the phase shifts at the IRS subject to each BS's power constraint and unit modulus constraint. Both BSs and users are equipped with multiple antennas, which can enhance the spectral efficiency. Due to the non-convexity of the problem, we first reformulate it into an equivalent one, which is solved by using the block coordinate descent algorithm where precoding matrices and phase shifts are alternatively optimized. The optimal precoding matrices can be obtained in closed form when fixing the phase shifts. Two efficient algorithms are proposed to solve the phase shift optimization problem, i.e., Majorization-Minimization (MM) Algorithm and Complex Circle Manifold (CCM) Method. Both algorithms are guaranteed to converge to at least locally optimal solution. Finally, simulation results confirm the advantages of introducing IRS in enhancing the cell-edge user performance.

研究の動機と目的

• マルチセルMIMOシステムにおける同頻セル干渉の低減とセルエッジユーザーの性能劣化という課題に対処すること。
• セル境界に配置された知能反射面（IRS）を活用し、スペクトル効率およびエネルギー効率の向上を図ること。
• 各基地局におけるアクティブな先行処理とIRSにおけるパassing位相シフトを、送信パワー制約および単位ノルム制約の下で共同最適化すること。
• マルチセル環境下での全ユーザーの重み付き和レート（WSR）を最大化すること。
• 非凸最適化問題に対して、局所最適解に収束する効率的なアルゴリズムの開発

提案手法

• 非凸WSR最大化問題を、最適化に適した等価な形に再定式化する。
• ブロック座標降下法を用い、先行処理行列とIRS位相シフトを交互に最適化する。
• 位相シフトが固定された場合の先行処理行列に対して、閉形式の解を導出する。
• 位相シフト最適化のための2つのアルゴリズム—主要化最小化（MM）および複素円多様体（CCM）—を提案する。
• MMおよびCCMアルゴリズムが、少なくとも局所最適解に収束することを保証する。
• 各基地局における送信パワー制約と、IRS反射係数の単位ノルム制約を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セル境界に配置されたIRSの導入は、マルチセルMIMOシステムにおけるスペクトル効率の向上と同頻セル干渉の低減にどのように寄与するか？
• RQ2 基地局の先行処理とIRSの位相シフトの間で、どのような共同最適化戦略が重み付き和レートを最大化するか？
• RQ3 非凸位相シフト最適化問題を解くにあたり、MMおよびCCMアルゴリズムはどのように比較されるか？
• RQ4 マルチセル環境下で、IRSはセルエッジユーザーに対してどのような性能向上をもたらすか？
• RQ5 提案されたアルゴリズムは、実用的制約のもとで局所最適解に収束するか？

主な発見

• 提案された先行処理と位相シフトの共同最適化により、従来の手法と比較して重み付き和レートが顕著に向上した。
• MMおよびCCMアルゴリズムの両方が局所最適解に収束し、信頼性の高い性能を実現した。
• セル境界に配置されたIRSは、同頻セル干渉を効果的に低減し、セルエッジユーザーのデータレートを向上させた。
• 位相シフトが固定された場合の先行処理行列に対する閉形式解により、計算複雑度が低減された。
• シミュレーション結果から、IRSがスペクトル効率を向上させ、特にセルエッジユーザーの通信をより信頼性の高いものにしていることが確認された。
• IRSによる構成的信号合成のおかげで、特に困難なセルエッジ環境において顕著な性能向上が達成された。