[論文レビュー] Sum Rate Maximization for Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Device-to-Device Communications

Yashuai Cao, Tiejun Lv|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）を用いた電力制御、受信ビームフォーミング、およびパasiveビームフォーミングの共同最適化を提案し、デバイス・ツー・デバイス（D2D）アンダーレイセルラーネットワークにおけるスループットを最大化することを目的としている。固定位相シフト下での凸最適化技術を用いて、電力およびビームフォーミングの閉形式解を導出し、RIS位相シフトに関しては二次変換に基づく半定値緩和を適用することで、非凸かつ結合された最適化問題を効率的に解く。この手法により、RIS素子数が増加するほど、および送信電力が高いほど顕著なスループット向上が達成される。

ABSTRACT

In this letter, we propose to employ reconfigurable intelligent surfaces (RISs) for enhancing the D2D underlaying system performance. We study the joint power control, receive beamforming, and passive beamforming for RIS assisted D2D underlaying cellular communication systems, which is formulated as a sum rate maximization problem. To address this issue, we develop a block coordinate descent method where uplink power, receive beamformer and refection phase shifts are alternatively optimized. Then, we provide the closed-form solutions for both uplink power and receive beamformer. We further propose a quadratic transform based semi-definite relaxation algorithm to optimize the RIS phase shifts, where the original passive beamforming problem is translated into a separable quadratically constrained quadratic problem. Numerical results demonstrate that the proposed RIS assisted design significantly improves the sum-rate performance.

研究の動機と目的

• 再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）を統合することで、伝搬環境を制御し、D2Dアンダーレイセルラーネットワークにおけるスペクトル効率を向上させること。
• D2Dユーザーとセルラーユーザーが同じ周波数帯域を共有するRIS支援D2Dシステムにおける複雑な干渉管理問題に対処すること。
• システム合計スループットを最大化するために、上行リンク電力割り当て、基地局における受信ビームフォーマー、およびRISにおけるパasiveビームフォーミング（位相シフト）を共同最適化すること。
• RISパasiveビームフォーミングと干渉制約が生じる非凸かつ結合された最適化問題を扱える実用的なアルゴリズムを開発すること。
• 実際の電力および位相シフト制約下で、最小SINR要件を満たしつつ合計スループットを最大化するRISの性能向上を評価すること。

提案手法

• SINR制約および電力制約の下で、送信電力、受信ビームフォーミングベクトル、およびRIS位相シフトの共同最適化を目的とした合計スループット最大化問題（P1）を定式化する。
• 上行リンク電力、受信ビームフォーマー、RIS位相シフトの3変数を交互に最適化するブロック座標降下（BCD）法を適用する。
• 固定位相シフト下で凸最適化技術を用いて、上行リンク電力および受信ビームフォーマーの閉形式解を導出する。
• 二次変換を用いて、非凸なRIS位相シフト最適化問題を分離可能な二次制約付き二次計画問題（QCQP）に変換する。
• QCQPを解くために半定値緩和（SDR）を用い、最適な位相シフト行列を回復する。
• 最適化プロセス全体を通じて、単位ノルムの受信ビームフォーマーおよび位相シフト制約（θₙ ∈ [0, 2π))）を満たすように保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共周波数干渉が存在するD2Dアンダーレイセルラーネットワークにおいて、RIS支援のパasiveビームフォーミングは合計スループットをどのように向上させるか？
• RQ2 SINR制約および電力制約下で、システム合計スループットを最大化するための最適な電力制御、受信ビームフォーミング、およびRIS位相シフトの共同設計は何か？
• RQ3 RIS反射素子数が合計スループット性能および干渉抑制能力に与える影響は何か？
• RQ4 送信電力およびRIS位置が、提案されたシステムにおける達成可能な合計スループットに与える影響は何か？
• RQ5 電力、ビームフォーミング、およびRIS位相シフトの共同最適化に対して、閉形式解および効率的なアルゴリズムを導出可能か？

主な発見

• 提案されたRIS支援システムは、非RIS方式と比較して顕著な合計スループット向上を達成しており、RIS素子数が増加するほど性能向上が顕著になる。
• 8個のRIS素子および10 dBWの送信電力条件下で、提案アルゴリズムはベースライン方式を上回る合計スループットを達成し、RISによる干渉管理の有効性を実証している。
• 送信電力（Pₘ/σ_B²）が高くなるほど合計スループットの向上が顕著になることから、RISが電力制限下でもスペクトル効率を向上させることを確認した。
• BCDアルゴリズムは効率的に収束し、電力およびビームフォーミングの閉形式解のおかげで計算複雑度が低減されている。
• 二次変換に基づく半定値緩和は、最適なRIS位相シフトを効果的に近似でき、実用的実装を可能にした。
• 数値結果から、最適な電力割り当てが可能電力領域の境界上に位置することが確認され、単調性および凸性に関する理論的分析を裏付けるものとなった。