[論文レビュー] Joint Beamforming for Intelligent Reflecting Surface-Assisted Millimeter Wave Communications

Peilan Wang, Jun Fang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 18被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、低分解能位相シフタを備えたインテリジェント反射表面（IRS）支援ミリ波（mmWave）下行リンクシステムにおける共同ビームフォーミング設計を提案する。mmWaveチャネルの特性を活用することで、1ビットまたは2ビットの位相シフトであっても、反射素子の数に比例して受信信号電力が二次的に増加する近似的最適な解析的解を導出する。この解は、無限分解能のベンチマークに非常に近い性能を維持する。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communications are evolving as a promising technology to meet the ever increasing data rate requirements. However, high directivity and severe path loss make it vulnerable to blockages, which could be frequent in indoor or urban environments. To address this issue, intelligent reflecting surfaces (IRSs) are introduced to provide additional adjustable reflected paths. Most prior works assume that elements of IRSs have an infinite phase resolution, which is difficult to be realized in practical systems. In this paper, IRSs with low-resolution phase shifters are considered. We aim to maximize the receive signal power at the user by jointly optimizing discrete phase shifts of IRSs and the transmit beamforming vector at the base station for mmWave downlink systems. An analytical near-optimal solution is developed by exploiting some important characteristics of mmWave channels. Our theoretical analysis reveals that low-resolution phase shifters can still achieve a receive signal power that increases quadratically with the number of reflecting elements. Simulation results are provided to corroborate our analysis and show the effectiveness of the proposed solution.

研究の動機と目的

• 都市部および屋内環境におけるmmWave通信の遮蔽への脆弱性に対処すること。
• 低分解能位相シフタを備えた複数のIRSを対象とした、共同送信ビームフォーミングおよび離散的位相シフト最適化戦略の設計。
• 実用的なハードウェア制約を考慮しつつ、ユーザーにおける受信信号電力を最大化すること。
• 有限分解能位相シフタを備えたIRS支援mmWaveシステムの理論的電力スケーリング則の確立。

提案手法

• 基地局の送信ビームフォーミングベクトルと複数のIRSの離散的位相シフトを共同最適化することで、受信信号電力を最大化する非凸最適化問題を定式化。
• mmWaveチャネルの固有のスパarsity（スパarsity）および指向性特性を活用し、全探索や反復最適化を用いずに近似的最適な解析的解を導出。
• 単位振幅反射（β = 1）と有限集合の2^bレベルからの離散的位相シフトを仮定し、実用的ハードウェア制約をモデル化。
• 性能ギャップの評価のため、緩和された凸最適化を上限として用いる。
• 受信電力が反射素子数の二乗に比例して増加することを示す理論的電力スケーリング則を導出。低分解能位相シフタを用いても同様のスケーリングが成立する。
• 28 GHzでの実際のmmWave伝搬条件（遮蔽状況を含む）下で、シミュレーションにより解の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援mmWaveシステムにおける共同ビームフォーミングと離散的位相シフト最適化のための近似的最適な解析的解を導出可能か？
• RQ2 1ビットまたは2ビットなどの低分解能位相シフタを用いる場合、理想の無限分解能位相シフタと比較して、実現可能な受信信号電力はどのように変化するか？
• RQ3 位相シフタが量子化されても、反射素子数に比例して受信信号電力が二次的に増加するか？
• RQ4 位相量子化による性能劣化はどの程度で、その損失は解析的に特徴づけられるか？
• RQ5 複数のIRSを導入することで、ユーザーのリンク遮蔽に対するシステムのロバスト性はどの程度向上するか？

主な発見

• 提案手法は、1ビットまたは2ビットの位相シフタを用いても、受信信号電力が反射素子数の二乗に比例して増加することを実現。
• 2ビット位相シフタを用いる場合、無限分解能位相シフタで達成される上限性能に対して、受信SINRが0.9121 dB以内に収束する。
• 1ビット位相シフタを用いる場合、無限分解能ケースと比較して性能劣化は約3.9224 dBである。
• シミュレーション結果により、理論的電力スケーリング則が成立することが確認され、反射素子数を25から50に倍増させた際、6 dBの増幅が観測された。
• IRSの導入により遮蔽状況下でのアウトージ確率が顕著に低下し、IRSの数が多いほどアウトージ確率が低くなる。
• IRS支援システムは、特に基地局からの距離が長い場所において受信SINRを顕著に向上させ、各IRS周辺に局所的な信号ホットスポットを形成する。