[論文レビュー] Multi-Beam Multi-Hop Routing for Intelligent Reflecting Surfaces Aided Massive MIMO

Weidong Mei, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 36被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を支援するマッシブMIMOシステム向けに、最適なIRS選択と反射経路を統合的に設計することで、最小ユーザー周波数利得を最大化する、マルチビームマルチホップ（MBMH）ルーティングフレームワークを提案する。問題をグラフ最適化タスクとしてモデル化し、再帰的アルゴリズムを用いることで、相互ユーザー干渉を回避するための厳しい経路分離制約のもとで、低複雑性かつほぼ最適な性能を達成する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned to play a significant role in future wireless communication systems as an effective means of reconfiguring the radio signal propagation environment. In this paper, we study a new multi-IRS aided massive multiple-input multiple-output (MIMO) system, where a multi-antenna BS transmits independent messages to a set of remote single-antenna users using orthogonal beams that are subsequently reflected by different groups of IRSs via their respective multi-hop passive beamforming over pairwise line-of-sight (LoS) links. We aim to select optimal IRSs and their beam routing path for each of the users, along with the active/passive beamforming at the BS/IRSs, such that the minimum received signal power among all users is maximized. This problem is particularly difficult to solve due to a new type of path separation constraints for avoiding the IRS-reflected signal induced interference among different users. To tackle this difficulty, we first derive the optimal BS/IRS active/passive beamforming solutions based on their practical codebooks given the reflection paths. Then we show that the resultant multi-beam multi-hop routing problem can be recast as an equivalent graph-optimization problem, which is however NP-complete. To solve this challenging problem, we propose an efficient recursive algorithm to partially enumerate the feasible routing solutions, which is able to effectively balance the performance-complexity trade-off. Numerical results demonstrate that the proposed algorithm achieves near-optimal performance with low complexity and outperforms other benchmark schemes. Useful insights into the optimal multi-beam multi-hop routing design are also drawn under different setups of the multi-IRS aided massive MIMO network.

研究の動機と目的

• 相互ユーザー干渉制約のもとで、マルチIRS、マルチユーザー、マルチビームマッシブMIMOシステムにおける課題に対処する。
• 基地局でのアクティブビームフォーミング、IRSでのパassingビームフォーミング、およびマルチホップ反射経路を統合的に最適化する。
• 実用的なIRSコードブック制約のもとで、すべてのユーザーにおける受信信号パワーの最小値を最大化する。
• NP完全なMBMHルーティング問題に対する低複雑性かつ高性能なソリューションを開発する。
• エンドツーエンドの経路損失と協調的パassingビームフォーミング利得の間のトレードオフに関する設計インサイトを提供する。

提案手法

• 問題をグラフ最適化タスクとして再定式化し、各IRSおよびユーザーをノードとし、反射経路を重み付きコストを持つエッジとする。
• 部分的な可能なルーティング解を列挙するパラメータ化された再帰的アルゴリズムを提案し、性能と複雑性のバランスを図る。
• 与えられた反射経路に対して、実用的なIRSコードブックを用いて最適なアクティブ／パassingビームフォーミングを導出する。
• 相互ユーザー干渉を防ぐために、経路分離制約を適用する。
• アルゴリズムは、選択されたIRSグループを通じたマルチホップ信号反射をモデル化するためにグラフ理論を活用する。
• 性能評価では、最大最小周波数利得を指標とし、コードブック解像度およびIRS構成の変動に応じたベンチマークと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互ユーザー干渉制約のもとで、マルチIRSマッシブMIMOシステムにおける最適なマルチビームマルチホップルーティングはどのように設計できるか？
• RQ2 IRSコードブック解像度（制御ビット数）が、達成可能な最大最小周波数利得に与える影響は何か？
• RQ3 IRSビームフォーミング解像度が制限される状況で、送信角度（AoDs）および受信角度（AoAs）はルーティング性能にどのように影響するか？
• RQ4 エンドツーエンドの経路損失を最小化し、協調的パassingビームフォーミング利得を最大化するという根本的なトレードオフは何か？
• RQ5 IRS反射素子の数が、最適なルーティングソリューションおよびシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• 提案された再帰的アルゴリズムは、全探索に比べて著しく低い複雑性でほぼ最適な性能を達成する。
• IRSコードブックの解像度が低い場合（例：b₀ ≤ 3）、AoAsとAoDsが性能を支配し、経路損失の影響は相対的に小さい。
• 第二のベンチマーク（AoAs/AoDsを無視）は、b₀が小さい場合に提案手法より性能が悪いが、b₀ ≥ 6では逆に優れる。
• 第三のベンチマーク（エンドツーエンドの経路損失を無視）は全体的に提案手法より性能が悪いが、b₀ ≤ 3では第二のベンチマークを上回る。
• 経路損失の最小化と協調的パassingビームフォーミング利得の最大化の間には根本的なトレードオフが存在し、IRS素子数の変動に応じて支配要因が変化する。
• IRSコードブック解像度が制限される状況では、最適なMBMHルーティング設計がAoAsとAoDsを考慮する必要がある。