[論文レビュー] Robust Beamforming Design for Intelligent Reflecting Surface Aided MISO Communication Systems

Gui Zhou, Cunhua Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、不完全なチャネル状態情報（CSI）下でのインテリジェント反射表面（IRS）支援マルチユーザーMISOシステムに対して、worst-caseロバストビームフォーミング設計を提案する。非凸性とユニットモジュラス制約に対処するため、近似法と凸-凹プロシージャ（CCP）技術を用いる。本手法により、チャネル不確実性下でもすべてのユーザーのQoS要件を満たし、アウトージ確率ゼロの運用を保証する。数値結果により、ロバストな性能と保証された運用が確認されている。

ABSTRACT

Perfect channel state information (CSI) is challenging to obtain due to the limited signal processing capability at the intelligent reflection surface (IRS). In this paper, we study the worst-case robust beamforming design for an IRS-aided multiuser multiple-input single-output (MU-MISO) system under the assumption of imperfect CSI. We aim for minimizing the transmit power while ensuring that the achievable rate of each user meets the quality of service (QoS) requirement for all possible channel error realizations. With unit-modulus and rate constraints, this problem is non-convex. The imperfect CSI further increases the difficulty of solving this problem. By using approximation and transformation techniques, we convert this problem into a squence of semidefinite programming (SDP) subproblems that can be efficiently solved. Numerical results show that the proposed robust beamforming design can guarantee the required QoS targets for all the users.

研究の動機と目的

• IRS支援マルチユーザーMISOシステムにおける不完全なCSI、特に反射チャネルの推定が困難であるという課題に対処すること。
• すべての可能なチャネル誤差実現下でも、各ユーザーのサービス品質（QoS）を保証しつつ、基地局の送信パワーを最小化すること。
• ユニットモジュラス反射係数制約とCSI不確実性が引き起こす非凸性を、取り扱い可能な最適化フレームワークで処理すること。
• 元の非凸問題を一連の凸半定値計画（SDP）に変換する反復的アルゴリズムを構築すること。
• 実際のシステムパラメータを想定した数値評価を通じて、提案手法のロバスト性と効率性を検証すること。

提案手法

• チャネル不確実性下での非凸的レート式を近似的に線形化するために、1次テイラー展開を用いる。
• S-レマを用いて、得られた半無限制約を線形行列不等式（LMI）に変換し、凸緩和を可能にする。
• 非凸なユニットモジュラス制約を処理するために、ペナルティ付き逐次凸近似（SCA）フレームワーク、特に凸-凹プロシージャ（CCP）を適用する。
• 元の問題を、標準的な凸最適化ツールで効率的に解ける一連の凸半定値計画（SDP）に再定式化する。
• 各反復で、更新された近似式に基づき、プレフィッティングと反射ビームフォーミングを同時に最適化する反復アルゴリズムを採用する。
• チャネル状態情報の誤差を表現するため、反射チャネルに楕円体型不確実性モデルを用い、worst-caseロバスト性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反射チャネルのCSIが不完全な場合、IRS支援MISOシステムでどのようにロバストビームフォーミングを設計できるか。
• RQ2 チャネル推定誤差がユーザーのレートアウトージに与える影響は何か。また、ビームフォーミング設計においてどのように緩和できるか。
• RQ3 ユニットモジュラス制約とCSI不確実性の下で、アクティブプリコーディングとパッシブ反射ビームフォーミングの非凸な共同最適化を効果的に解けるか。
• RQ4 提案されたロバスト設計は、非ロバスト設計およびリレーサービス方式と比較して、性能とエネルギー効率でどのように優れるか。
• RQ5 スペクトル効率およびエネルギー効率の観点から、IRSはどのような条件下で従来の非IRSおよびリレー支援システムを上回るか。

主な発見

• 提案されたロバストビームフォーミング設計により、すべてのユーザーがすべての可能なチャネル誤差実現下で、ターゲットQoSレートを満たすことが保証され、アウトージ確率はゼロとなる。
• チャネル不確実性（δ）が増加するにつれて送信パワーは増加するが、非IRSベースラインと比較して顕著に低く保たれ、IRS導入の効率性が裏付けられる。
• パッシブIRS素子の回路消費電力が低いため、エネルギー効率（EE）はリレーサービス方式よりも高い。
• IRSが非IRSおよびリレー系を上回る性能を発揮するのは、反射効率（ι）が高く（≒1）かつCSI不確実性（δ）が低い（δ < 0.03）場合に限られる。
• 非ロバストIRS設計では、特に高いターゲットレートまたは大きな不確実性レベル下で高いアウトージ確率を示すため、ロバスト設計の必要性が確認される。
• 提案アルゴリズムは安定して収束し、近似的最適性能に到達する。また、ロバスト設計から得られる最適プレフィッターは、さらなる最適化の初期化として良好である。