[論文レビュー] Power Efficiency, Overhead, and Complexity Tradeoff in IRS-Assisted Communications -- Quadratic Phase-Shift Design

Vahid Jamali, Marzieh Najafi+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、コードブックのサイズを小さく抑えながら、送受信効率を向上させるために、知能反射表面（IRS）のための2次位相シフト設計を提案する。これにより、コードブックサイズ、オーバーヘッド、複雑さのトレードオフを克服する。位相シフトをIRS全体にわたって2次関数としてモデル化することにより、わずか25モードで全方位角カバレッジを実現可能となり、コードブックサイズが最小限であっても、線形およびDFTベースの設計を上回る送受信効率を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we focus on large intelligent reflecting surfaces (IRSs) and propose a new codebook construction method to obtain a set of predesigned phase-shift configurations for the IRS unit cells. Since the overhead for channel estimation and the complexity of online optimization for IRS-assisted communications scale with the size of the phase-shift codebook, the design of small codebooks is of high importance. We show that there exists a fundamental tradeoff between power efficiency and the size of the codebook. We first analyze this tradeoff for baseline designs that employ a linear phase-shift across the IRS. Subsequently, we show that an efficient design for small codebooks mandates higher-order phase-shift variations across the IRS. Consequently, we propose a quadratic phase-shift design, derive its coefficients as a function of the codebook size, and analyze its performance. Our simulation results show that the proposed design yields a higher power efficiency for small codebooks than the linear baseline designs.

研究の動機と目的

• IRS支援通信における送受信効率、コードブックサイズ、システム複雑さの根本的トレードオフを解消すること。
• 既存の線形およびDFTベースの位相シフトコードブックが、十分なカバレッジを得るために大きなサイズを必要としているという制限を克服すること。
• 大規模IRSに対して、コンactかつ効果的な位相シフトコードブックを設計し、チャネル推定のオーバーヘッドとオンライン最適化の複雑さを低減すること。
• 最小限のコードブックサイズで全方位角カバレッジを実現しつつ、実用的な展開に耐える高い送受信効率を維持すること。
• 提案された2次位相シフト設計におけるIRS応答関数の閉形式解析的モデルを開発すること。

提案手法

• 位相シフトを位置の2次関数としてモデル化する2次位相シフト設計を提案し、高次波面整形を可能にする。
• 最適なビームフォーミング利得とカバレッジを確保するため、コードブックサイズに応じた2次位相関数の係数を導出する。
• 遠方場においてIRS応答関数の閉形式近似を導入し、効率的な性能解析を可能にする。
• 送信モードモデルを用いて、オフラインのコードブック設計とオンラインのチャネル適応を分離し、リアルタイムの複雑さを低減する。
• ランダムな入射角および反射角を想定したモンテカルロシミュレーションを用いて、提案手法とベースラインの線形およびDFTベースのコードブックを比較する。
• 平均チャネル利得の逆数、$\mathrm{E}_{\boldsymbol{\Psi}_i,\boldsymbol{\Psi}_r}\{\gamma^{-1}(\boldsymbol{\Psi}_i,\boldsymbol{\Psi}_r)\}$ を用いて、送受信効率とコードブックサイズのトレードオフを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援システムにおけるコードブックサイズと送受信効率の根本的トレードオフは何か？
• RQ2 線形を越える高次位相シフト変動（2次以上）は、より小さなコードブックで優れたビームフォーミング性能を実現できるか？
• RQ3 提案された2次位相シフト設計は、線形およびDFTベースのコードブックと比較して、方位角カバレッジおよび送受信効率の面でどのように異なるか？
• RQ4 提案された2次位相シフト設計下でのIRS応答関数の解析的関数は何か？
• RQ5 提案された設計は、顕著に小型化されたコードブックサイズで、ほぼ理想の性能を達成できるか？

主な発見

• 提案された2次位相シフト設計は、10λ×10λのIRSに対して、わずか25のコードブックエントリで全方位角カバレッジを達成できる。一方、100モードを要する線形ベースラインでは、特定の角度がカバーされない。
• コードブックサイズが100未満の場合、線形設計では応答関数に深いディップ（null）が生じ、側 lobes 依存による送受信効率の低下を引き起こす。
• DFTベースの設計は高い送受信効率を示すが、400モードを必要とするため、リアルタイムシステムには現実的でない。
• 提案された設計は、極めて小さなコードブックサイズであっても、理論的限界に近い送受信効率を達成する。
• IRS応答関数の解析的近似は、数値結果とよく一致しており、数学的モデルの妥当性が裏付けられる。
• コードブックサイズを固定したままIRSサイズを拡大すると、メインローブ利得が向上するが、ビーム形状は歪まない。これにより、スケーラビリティが確認される。