[論文レビュー] Statistical CSI based Design for Intelligent Reflecting Surface Assisted MISO Systems

Xiao Hu, Junwei Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、瞬時チャネル状態情報（CSI）に代わる統計的CSIのみを用いて、MISOシステムにおける共同送信ビームフォーミングと知能反射表面（IRS）位相シフト設計を提案し、瞬時CSIに基づくベンチマークと同等に近い確率的容量を達成する。Line-of-sight（LOS）路を有するRician fadingでは収束が保証される反復的アルゴリズムを提案し、LOSがないRayleigh fadingでは閉形式解を導出する。両者ともに、著しく低減されたトレーニングオーバーヘッドと計算複雑性でほぼ最適性能を達成する。

ABSTRACT

This paper considers an intelligent reflecting surface (IRS) aided multiple-input single-output communication system, where statistical channel state information (CSI) is exploited for transmit beamforming and IRS beamforming. A tight upper bound is derived for the ergodic capacity of the system. Based on which, the joint optimization of transmit beam and IRS beam are studied. Depending on whether a line-of-sight path exists between the access point and user, two different cases, namely, Rician fading and Rayleigh fading, are separately treated. Specifically, for the Rician fading case, an iterative algorithm is proposed, which is guaranteed to converge. For the Rayleigh fading case, closed-form designs are obtained for the transmit beam and IRS beam. Simulation results show the proposed beamforming scheme achieves similar performance as the benchmark algorithm requiring instantaneous CSI.

研究の動機と目的

• IRS支援MISOシステムにおける瞬時CSIを取得するための高いトレーニングオーバーヘッドとハードウェアコストを低減すること。
• 瞬時CSIに代わる統計的CSIのみを用いて、共同送信ビームフォーミングとIRS位相シフトを設計すること。統計的CSIは取得が容易で、頻繁な更新が不要である。
• 2つの実用的チャネルモデル（Rician fading（LOSあり）およびRayleigh fading（LOSなし））下で、確率的容量を最大化すること。
• 瞬時CSIに基づくベンチマークと同等の性能を達成する低複雑性で高効率なビームフォーミングアルゴリズムの開発

提案手法

• 統計的CSIを用いたIRS支援MISOシステムの確率的容量に対するタイトな上界を導出する。
• Rician fadingの場合、送信ビームフォーマとIRS位相シフトを交互に最適化する反復的最適化アルゴリズムを定式化し、各ステップで閉形式解を用いる。
• 単調性と有界性の議論を用いて、反復的アルゴリズムの収束性を証明する。
• Rayleigh fadingの場合、解析的最適化により、送信ビームフォーマとIRS位相シフトの両方の閉形式表現を導出する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、上界のタイトさおよび提案手法の性能を検証する。
• 瞬時CSIが必要なベンチマークおよびランダムビームフォーミングと比較し、性能向上と複雑性低減の有効性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統計的CSIのみを用いた共同送信ビームフォーミングとIRS位相シフト設計が、瞬時CSIを備えたシステムと同等の確率的容量を達成できるか？
• RQ2 統計的CSI下でのIRS支援MISOシステムにおいて、Line-of-Sight（LOS）路の有無が性能と設計アプローチに与える影響は何か？
• RQ3 統計的CSIのみが利用可能な状況下で、Rayleigh fading環境におけるIRSビームフォーミングと送信ビームフォーミングに対して閉形式解を導出可能か？
• RQ4 IRS反射素子数と送信電力の変化が、統計的CSI下での確率的容量に与える影響は何か？
• RQ5 Rician fading条件下における提案アルゴリズムの収束特性と計算複雑性はいかがなっているか？

主な発見

• Rician fadingにおける提案反復的アルゴリズムは、APアンテナ数およびIRS素子数のすべてのテスト設定で、わずか3回の反復で部分最適解に到達し、高速に収束する。
• IRS反射素子数の増加に伴い、確率的容量が顕著に向上し、大規模IRS導入の利点を裏付ける。
• Rician fadingの場合、提案アルゴリズムは瞬時CSIを必要とするベンチマークとほぼ同一の性能を達成しており、特にRician K因子が高くなるほど顕著である。
• Rayleigh fadingの場合、閉形式ビームフォーミング解は、瞬時CSIベンチマークと区別できない性能を達成し、著しく低い計算複雑性を実現する。
• 反射素子数が増加するに従い、RicianとRayleigh fadingの性能差が縮小する。これは、IRS支援チャネルの支配的影響によるものである。
• 十分なIRS素子数（例：50以上）を有する場合、RicianおよびRayleigh fading両方のシステムが類似した確率的容量を達成する。これは、IRSチャネルが直接チャネルの統計に依存せず、主要なリンクとなることを示している。