[論文レビュー] Reflection Resource Management for Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Networks

Yulan Gao, Chao Yong+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 39被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、モジュラーなIRSアーキテクチャを用いたインテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）支援2ホップ無線ネットワークにおける、新規なリフレクションリソース管理（RRM）フレームワークを提案する。このフレームワークにより、独立したモジュールの選択的活性化が可能となり、公平性とエネルギー効率の最適化が実現される。著者らは、混合ℓ1,F-ノルムによるリラクゼーションを用いて、グループスパarsity制約下での、活性化モジュール選択、送信パワー割り当て、パassiveビームフォーミングの共同最適化を定式化し、最小SINRを最大化する2ブロックADMMアルゴリズムを開発した。従来のIRS設計と比較して、スペクトル効率およびエネルギー効率の両面で優れた性能を達成した。

ABSTRACT

In this paper, the adoption of an intelligent reflecting surface (IRS) for multiple single-antenna source terminal (ST)-DT pairs in two-hop networks is investigated. Different from the previous studies on IRS that merely focused on tuning the reflection coefficient of all the reflection elements at IRS, in this paper, we consider the true reflection resource management. Specifically, the true reflection resource management can be realized via trigger module selection based on our proposed IRS architecture that all the reflection elements are partially controlled by multiple parallel switches of controller. As the number of reflection elements increases, the true reflection resource management will become urgently needed in this context, which is due to the non-ignorable energy consumption. Moreover, the proposed modular architecture of IRS is designed to make the reflection elements part independent and controllable. As such, our goal is to maximize the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) at DTs via a joint trigger module subset selection, transmit power allocation of STs, and the corresponding passive beamforming of the trigger modules, subject to per ST power budgets and module size constraint. Whereas this problem is NP-hard due to the module size constraint, to deal with it, we transform the hard module size constraint into the group sparse constraint by introducing the mixed row block norm, which yields a suitable semidefinite relaxation. Additionally, the parallel alternating direction method of multipliers (PADMM) is proposed to identify the trigger module subset, and then subsequently the transmit power allocation and passive beamforming can be obtained by solving the original minimum SINR maximization problem without the group sparse constraint via partial linearization for generalized fractional programs.

研究の動機と目的

• 5Gおよびそれ以降のネットワークにおける増大するエネルギー効率およびスペクトル効率の要請に対応するため、制御可能で独立したリフレクティングモジュールを備えたモジュラーIRSアーキテクチャを導入すること。
• 従来のIRS設計が位相シフトの最適化に限定されるという限界を克服するため、モジュールの選択的活性化を可能にする真のリフレクションリソース管理（RRM）フレームワークを提案すること。
• 各ソース端末の送信パワー制約およびモジュールサイズ制約の下で、複数のユーザペア間の最小SINR（信号対インターーフェレンス＋ノイズ比）を最大化することにより、公平性を確保すること。
• 非凸的かつNP困難な問題構造を有する条件下で、モジュール選択、パワー割り当て、パasiveビームフォーミングを共同最適化する効率的なアルゴリズムを開発すること。
• モジュラーIRSアーキテクチャのエネルギー効率（EE）利点を実証し、与えられたネットワーク設定において最適なアクティブモジュール数が存在することを示すこと。

提案手法

• モジュール活性化制約をモデル化するため、混合ℓ1,F-ノルムを用いて問題をグループスパース最適化に変換し、適切な半定値リラクゼーションを可能にする。
• 分離構造を活用した効率的な計算を実現するため、2ブロックの交替方向乗数法（ADMM）アルゴリズムを提案し、リラクライズド問題を解く。
• ビームフォーミング行列と双対変数の更新を交互に繰り返し、それぞれの部分問題に対して勾配法を用いて閉形式解を導出する。
• 各モジュールのビームフォーミング行列の最適解は、核ノルムの部分勾配に基づくソフトスレッショーティングに類似した操作により得られる。
• モジュール選択は、ℓ1,F-ノルムによるグループスパarsity制約によって暗黙的に処理され、ゼロブロックが非アクティブモジュールを示す。
• ADMM収束条件を満たすため、非凸問題の最適化が信頼性を持って保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数ユーザを伴うIRS支援ネットワークにおいて、エネルギー効率を最大化する最適なアクティブIRSモジュール数は何か？
• RQ2 公平性およびエネルギー効率を実現するため、独立したIRSモジュールの選択的活性化を効果的にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ3 モジュール選択、パワー割り当て、パasiveビームフォーミングの共同最適化は、位相シフトのみを最適化する従来のIRS設計を上回る性能を達成できるか？
• RQ4 モジュラーIRSアーキテクチャは、複数ユーザペアを有する2ホップ無線ネットワークのスペクトル効率およびエネルギー効率にどのような影響を与えるか？
• RQ5 提案されたADMMベースのアルゴリズムは、ベースライン手法と比較して収束性およびSINRの公平性の面でどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 提案されたRRMフレームワークは、すべてのユーザペア間の最小SINRを最大化することで顕著な公平性の向上を達成し、位相シフトの最適化のみを実施する従来のIRS設計を上回る。
• 数値結果により、エネルギー効率を最大化する最適なアクティブモジュール数が存在することが確認され、知的なモジュール選択の必要性が示された。
• ADMMベースのアルゴリズムは信頼性高く収束し、近似的最適性能を達成しており、グループスパarsity制約がℓ1,F-ノルムリラクゼーションを通じて効果的にモジュール選択を可能にしている。
• 適切なモジュール活性化によりエネルギー効率性能が向上し、最適なアクティブモジュール数はシステムパラメータに依存することから、動的RRMの価値が浮き彫りになった。
• モジュールレベルの制御やグループスパarsityを考慮しないベースライン方式と比較して、提案手法はスペクトル効率および公平性の両面で優れた性能を示した。
• 理論的分析およびシミュレーションにより、混合ℓ1,F-ノルムがモジュール活性化制約を効果的にモデル化でき、NP困難問題に対する取り扱い可能な半定値リラクゼーションを可能にすることが検証された。