[論文レビュー] Sum Rate Maximization for Intelligent Reflecting Surface Assisted Terahertz Communications

Yijin Pan, Kezhi Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、個々のレート制約のもとでスルーレートを最大化することを目的とした、知能反射表面（IRS）支援型テラヘルツ（THz）通信の共同最適化フレームワークを提案する。IRSの配置、位相シフト、周波数帯域割り当て、およびパワー制御を共同で最適化することで、著者らはブロック座標探索（BCS）アルゴリズムを構築し、システム性能を顕著に向上させた。単一ユーザーのシナリオではグローバル最適性が証明され、シミュレーションでもベンチマークを大きく上回る性能向上が得られた。

ABSTRACT

In this paper, an intelligent reflecting surface (IRS) is deployed to assist the terahertz (THz) communications. The molecular absorption causes path loss peaks to appear in the THz frequency band, and the fading peak is greatly affected by the transmission distance. In this paper, we aim to maximize the sum rate with individual rate constraints, in which the IRS location, IRS phase shift, the allocation of sub-bands of the THz spectrum, and power control for UEs are jointly optimized. For the special case of a single user equipment (UE) with a single sub-band, the globally optimal solution is provided. For the general case with multiple UEs, the block coordinate searching (BCS) based algorithm is proposed to solve the non-convex problem. Simulation results show that the proposed scheme can significantly enhance system performance.

研究の動機と目的

• 分子吸収や遮蔽による原因で深刻な経路損失と距離依存フェージングが生じるTHz帯域の課題に対処すること。
• IRSの配置、位相シフト、周波数帯域割り当て、パワー制御を共同で最適化し、IRS支援型THzシステムにおけるスルーレートを最大化すること。
• THz帯域固有の周波数および距離依存性を持つ周波数帯域特性をシステム設計に組み込むこと。
• 非凸かつ計算的に困難な問題である多ユーザー環境におけるスケーラブルなアルゴリズムの開発。
• 実際の屋内THz通信環境における、提案手法とベースラインアルゴリズムの性能向上を検証すること。

提案手法

• 個々のレート制約を満たすスルーレートを最大化する非凸最適化問題を定式化し、IRSの配置、位相シフト、周波数帯域割り当て、パワー制御を組み込む。
• ブロック座標探索（BCS）アルゴリズムを提案し、構造的にIRSの配置、位相シフト、周波数帯域割り当て、パワー制御を反復的に最適化する。
• 単一ユーザー・単一周波数帯域ケースにおいて、反証法を用いた部分勾配降下法（SGD）を用いてグローバル最適解を導出する。
• THzチャネルを周波数および距離依存性を持つ周波数帯域の集合としてモデル化し、拡散損失と分子吸収が経路損失に影響することを考慮する。
• ユーザーの移動履歴および屋内レイアウトデータを統合し、UEの位置を予測し、最適なIRS配置を支援する。
• 変数グループごとに逐次最適化を実行し、他の変数は固定したまま更新することで、収束性を保証する高品質な解への収束を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSの配置、位相シフト、周波数帯域割り当て、パワー制御の共同最適化が、IRS支援型THzシステムにおけるスルーレートに与える影響は何か？
• RQ2 多ユーザーTHz環境において、提案されたBCSアルゴリズムは、ランダムまたはヒューリスティックな代替手法と比較してどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ3 分子吸収と伝送距離が共同して引き起こす経路損失のピークが、THz帯域における周波数帯域選択およびシステム設計に与える影響は何か？
• RQ4 単一ユーザー・単一周波数帯域ケースにおいて、グローバル最適解を達成できるか。その理論的根拠は何か？
• RQ5 IRSの位相シフトとIRSの配置の両者が、システムのスルーレート性能に与える相対的影響は何か？

主な発見

• 提案されたBCSアルゴリズムは、全テストシナリオで最高のスルーレートを達成し、'RanLoc'、'RanPhi'、'MiniDis'ベンチマーク手法を顕著に上回った。
• ユーザー端末（UE）の数が増加するにつれて個々のレート制約の影響でスルーレートは低下するが、BCSアルゴリズムはあらゆる構成において優れた性能を維持した。
• IRSの位相シフトがIRSの配置よりもわずかにスルーレートに大きな影響を与えることが、'RanPhi'と'RanLoc'の性能差から明らかになった。
• 'MiniDis'手法は配置と位相シフトの両方を最適化しており、'RanLoc'および'RanPhi'よりも優れた性能を示した。これにより、統合的最適化の利点が裏付けられた。
• 単一ユーザー・単一周波数帯域ケースにおいて、反証法と部分勾配降下法の収束性を用いてグローバル最適解が証明された。
• 提案されたフレームワークは、周波数および距離依存性に基づく知的な周波数帯域割り当てにより、THz帯域の経路損失ピークを効果的に低減した。