[論文レビュー] Location Information Aided Multiple Intelligent Reflecting Surface Systems

Xiao Hu, Caijun Zhong+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ユーザーの位置情報の不完全さを活用してビームフォーミングの有効な角度を推定することで、訓練オーバーヘッドと信号伝送負荷を低減する、場所情報支援型の複数インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）システムを提案する。この手法は $NM^2$ のパワー・ゲインを達成し、非視線（NLOS）状態ではスケーリングが $M$ に比例し、NLOSパスが消失する場合には $M^2$ に比例することを示している。

ABSTRACT

This paper proposes a novel location information aided multiple intelligent reflecting surface (IRS) systems. Assuming imperfect user location information, the effective angles from the IRS to the users are estimated, which is then used to design the transmit beam and IRS beam. Furthermore, closed-form expressions for the achievable rate are derived. The analytical findings indicate that the achievable rate can be improved by increasing the number of base station (BS) antennas or reflecting elements. Specifically, a power gain of order $N M^2$ is achieved, where $N$ is the antenna number and $M$ is the number of reflecting elements. Moreover, with a large number of reflecting elements, the individual signal to interference plus noise ratio (SINR) is proportional to $M$, while becomes proportional to $M^2$ as non-line-of-sight (NLOS) paths vanish. Also, it has been shown that high location uncertainty would significantly degrade the achievable rate. Besides, IRSs should be deployed at distinct directions (relative to the BS) and be far away from each other to reduce the interference from multiple IRSs. Finally, an optimal power allocation scheme has been proposed to improve the system performance.

研究の動機と目的

• 従来のIRSビームフォーミングシステムで必要な高コストの訓練オーバーヘッドと頻繁なCSIフィードバックを低減すること。
• 即時のCSIに依存するのを減らすために、変化が遅い位置情報を利用してビーム設計を行うこと。
• リアルタイムのCSI交換を低レートの位置情報更新に置き換えることで、基地局とIRS間の信号伝送負荷を最小限に抑えること。
• ユーザーの位置推定値から導かれる統計的CSIに基づく、低複雑度のビームフォーミング方式を開発すること。
• 位置の不確実性を考慮した上で、個々のユーザーのレート制約を満たすために、パワー割り当てを最適化すること。

提案手法

• 不完全なユーザー位置情報から、IRSからユーザーへの有効な角度を推定し、推定誤差を統計的にモデル化する。
• 推定された角度と統計的CSIに基づいて、閉形式で送信ビームフォーミングベクトルおよびIRS位相シフトを設計する。
• Rician fading下での可達レートについて、閉形式の式を導出する。この式には、位置の不確実性とパスロスが組み込まれている。
• 複数のIRSからの干渉を、空間相関および角度拡散パrameterを用いてモデル化し、方向の分離が干渉を低減することを示す。
• 個々のユーザーのレート制約を満たすために、合計送信パワーを最小化する最適なパワー割り当て方式を提案する。
• 確率的幾何学とランダム行列理論を用いて、アンテナ数 $N$、反射素子数 $M$、およびRician Kファクタといった主要パラメータの影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位置の不確実性は、マルチIRSシステムにおける可達レートにどのように影響を与えるか？
• RQ2 基地局アンテナ数（$N$）と反射素子数（$M$）を増加させた場合、システム性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 非視線（NLOS）パスが消失した場合、システム性能はどのようにスケーリングするか？また、その際のSINR挙動はいかなるものか？
• RQ4 複数のIRSを最適に配置する戦略は何か？ これにより、相互干渉を最小限に抑えることができるか？
• RQ5 即時のCSIを用いた従来の共同最適化と比較して、位置情報に基づく低複雑度ビームフォーミング方式は、性能で優っているか？

主な発見

• 可達レートは $NM^2$ に比例し、受信機でのコherent結合によって $NM^2$ のオーダーのパワー・ゲインを達成する。
• NLOSパスが存在する状況では、個々のSINRは $M$ に比例して増加するが、NLOS成分が消失すると $M^2$ に比例するようになる。
• 高い位置の不確実性は、システム性能を著しく劣化させるため、正確な位置推定の重要性が浮き彫りになる。
• IRSは基地局に対して異なる角度方向に配置し、互いに離して設置することで、相互干渉を低減できる。
• 個々のユーザーのレート要件が低い状況では、提案されたビームフォーミング方式が[3]の共同最適化を上回る性能を示す。これは、オーバーヘッドの低減と推定誤差へのロバスト性によるものである。
• 最適なパワー割り当て方式は、合計送信パワーを最小化しつつ個々のユーザーのレート制約を満たすことができ、シミュレーションにより性能向上が確認されている。