[論文レビュー] Robust Joint Design for Intelligent Reflecting Surfaces Assisted Cell-Free Networks

Xie Xie, Chen He+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

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）支援型セルフリースマasive MIMOネットワークにおけるロバストな連携ビームフォーミング設計を提案する。確率的プログラミングを用いて平均スループットを最大化することで、アクセスポイントにおけるアクティブビームフォーミングとIRSにおけるパassingビームフォーミングを分離し、CSIの不確実性に対しても高い性能を達成する。主な貢献は、CSIの不確実性がアクティブビームフォーミングに影響を及ぼすが、パassingIRSビームフォーミング設計には影響しないことを証明したことであり、収束が保証される低複雑度のロバストなフレームワークを実現する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surfaces (IRSs) have emerged as a promising economical solution to implement cell-free networks. However, the performance gains achieved by IRSs critically depend on smartly tuned passive beamforming based on the assumption that the accurate channel state information (CSI) knowledge is available, which is practically impossible. Thus, in this paper, we investigate the impact of the CSI uncertainty on IRS-assisted cell-free networks. We adopt a stochastic programming method to cope with the CSI uncertainty by maximizing the expectation of the sum-rate, which guarantees robust performance over the average. Accordingly, an average sum-rate maximization problem is formulated, which is non-convex and arduous to obtain its optimal solution due to the coupled variables and the expectation operation with respect to CSI uncertainties. As a compromising approach, we develop an efficient robust joint design algorithm with low-complexity. Particularly, the original problem is equivalently transformed into a tractable form, and then, the locally optimal solution can be obtained by employing the block coordinate descent method. We further prove that the CSI uncertainty impacts the design of the active transmitting beamforming of APs, but surprisingly does not directly impact the design of the passive reflecting beamforming of IRSs. It is worth noting that the investigated scenario is flexible and general, and thus the proposed algorithm can act as a general framework to solve various sum-rate maximization problems. Simulation results demonstrate that IRSs can achieve considerable data rate improvement for conventional cell-free networks, and confirm the resilience of the proposed algorithm against the CSI uncertainty.

研究の動機と目的

• 不完全で不確実なチャネル状態情報（CSI）によるIRS支援型セルフリースネットワークの性能劣化を解消すること。
• 最悪ケース（ミニマックス）最適化に依存しない安定した性能を保証するロバストな伝送設計を開発すること。
• すべてのCSI実現値における期待スループットを最大化するための確率的プログラミング問題を定式化すること。
• アクセスポイントにおけるアクティブビームフォーミングとIRSにおけるパassingビームフォーミングの連携最適化を分離し、計算効率を向上させること。
• CSIの不確実性がアクティブビームフォーミングに影響を及ぼすが、パassingIRSビームフォーミング設計に影響しないという理論的洞察を確立すること。

提案手法

• 統計的誤差モデルを用いて、確率的CSI不確実性下での非凸な平均スループット最大化問題を定式化する。
• 期待値の簡略化と行列トレースの恒等式を用いて、元の問題を等価で取り扱いやすい形に変換する。
• ブロック座標降下（BCD）法を適用し、反復的にアクティブビームフォーミングベクトルとIRS位相シフトを最適化する。
• 確率的プログラミングアプローチを用いて期待スループットを最大化し、CSI分布の平均的特性にわたるロバストネスを確保する。
• 最適なパassingビームフォーミングがCSI不確実性に依存しないことを証明し、設計を単純化する。
• 目的関数の有界性と固有値・ノルム制約の活用により、提案アルゴリズムの収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CSIの不確実性は、IRS支援型セルフリースネットワークにおけるアクティブビームフォーミングとパassingビームフォーミング設計にどのように影響を与えるか？
• RQ2 最悪ケースロバスト設計と比較して、確率的プログラミングアプローチは平均スループットと複雑度の面で優れているか？
• RQ3 最適なIRSパassingビームフォーミング設計はCSI不確実性に依存しないのか？その理由は何か？
• RQ4 アクティブおよびパassingビームフォーミングの連携最適化問題は、計算複雑度を低減するために効果的に分離可能か？
• RQ5 実用的なCSI推定誤差下で、IRS支援型セルフリースネットワークは従来のセルフリースシステムに比べてどの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• 提案されたロバストな連携設計は、CSIの不確実性下でも従来のセルフリースネットワークに比べて顕著なスループット向上を達成する。
• 収束解析により、目的関数の単調な改善と有界性が保証され、アルゴリズムが局所最適解に収束することが証明された。
• CSIの不確実性はアクセスポイントにおけるアクティブビームフォーミング設計に影響を及ぼすが、IRSにおける最適なパassingビームフォーミング設計に直接的な影響を及ぼさない。
• 確率的プログラミングアプローチにより、すべてのCSI実現値にわたるロバストネスが確保され、期待スループットの最大化が達成された。
• シミュレーション結果は、提案アルゴリズムがCSI推定誤差に対して強く、非IRSおよび非ロバスト設計と比較して顕著なデータレート向上を示していることを確認した。
• 本フレームワークは一般性を有し、IRS支援型無線ネットワークにおけるさまざまなスループット最大化問題の解決に応用可能である。