[논문 리뷰] Analysis and Optimization of an Intelligent Reflecting Surface-assisted System with Interference

Yuhang Jia, Chencheng Ye외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 32인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 순간 및 통계적 CSI를 사용하여 동일 주파수 간섭 환경에서 지능형 반사 표면(IR)을 활용한 다안테나 시스템에 대한 최적의 준정적 위상 시프트 설계를 제안한다. 평균 및 에르고딕 속도에 대한 해석 가능한 표현을 유도하고, 특정 조건 하에서 전역 최적 해를 제공하며, 일반적인 경우를 위해 반복적 PCD 알고리즘을 개발하여 간섭 제한 환경에서 기존 기법들에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보였다.

ABSTRACT

In this paper, we study an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted system where a multi-antenna base station (BS) serves a single-antenna user with the help of a multi-element IRS in the presence of interference generated by a multi-antenna BS serving its own single-antenna user. The signal and interference links via the IRS are modeled with Rician fading. To reduce phase adjustment cost, we adopt quasi-static phase shift design where the phase shifts do not change with the instantaneous channel state information (CSI). We investigate two cases of CSI at the BSs, namely, the instantaneous CSI case and the statistical CSI case, and apply Maximum Ratio Transmission (MRT) based on the complete CSI and the CSI of the Line-of-sight (LoS) components, respectively. Different costs on channel estimation and beamforming adjustment are incurred in the two CSI cases. First, we obtain a tractable expression of the average rate in the instantaneous CSI case and a tractable expression of the ergodic rate in the statistical CSI case. We also provide sufficient conditions for the average rate in the instantaneous CSI case to surpass the ergodic rate in the statistical CSI case, at any phase shifts. Then, we maximize the average rate and ergodic rate, both with respect to the phase shifts, leading to two non-convex optimization problems. For each problem, we obtain a globally optimal solution under certain system parameters, and propose an iterative algorithm based on parallel coordinate descent (PCD) to obtain a stationary point under arbitrary system parameters. Next, in each CSI case, we provide sufficient conditions under which the optimal quasi-static phase shift design is beneficial, compared to the system without IRS. Finally, we numerically verify the analytical results and demonstrate notable gains of the proposal solutions over existing ones.

연구 동기 및 목표

• 공유 IRS를 통해 두 기지국이 사용자를 서비스하는 IRS 보조 다안테나 시스템에서 발생하는 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 순간 CSI에 종속되지 않는 준정적 위상 시프트 설계를 통해 위상 조정 비용을 줄이기 위해.
• LoS 성분의 통계적 CSI와 순간 CSI의 두 가지 CSI 제도 하에서 시스템 성능을 최대화하기 위해.
• IRS 도입이 비-IRS 시스템보다 성능이 뛰어나지 않는 조건을 충족하는 충분한 조건을 도출하기 위해.
• 임의의 시스템 파rameter에 대해 전역 최적 또는 정류점 위상 시프트 해를 확보하기 위한 반복적 병렬좌표강하(Parallel Coordinate Descent, PCD) 알고리즘을 개발하기 위해.

제안 방법

• 신호 및 간섭 링크에 대해 라이케인 fading을 적용한 IRS 보조 시스템을 모델링한다.
• 순간 CSI 하에서 평균 속도와 통계적 CSI 하에서 에르고딕 속도에 대한 해석 가능한 표현을 유도한다.
• 각각 완전한 CSI와 LoS 성분의 CSI 기반으로 최대 비율 전송(MRT)을 적용한다.
• 위상 시프트에 대해 평균 및 에르고딕 속도를 최대화하기 위한 비볼록 최적화 프레임워크를 제안한다.
• 비볼록 문제의 정류점에 도달하기 위해 반복적 병렬좌표강하(PCD) 알고리즘을 개발한다.
• IRS가 비-IRS 시스템보다 성능이 뛰어나지 않는 조건을 분석하고 충분한 조건을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LoS 성분이 강하고 간섭이 약할 경우, 어떤 조건에서 순간 CSI 하의 평균 속도가 통계적 CSI 하의 에르고딕 속도를 초월하는가?
• RQ2 평균 속도 및 에르고딕 속도 문제에 대해 전역 최적의 준정적 위상 시프트 설계가 언제 달성 가능한가?
• RQ3 IRS가 비-IRS 시스템보다 성능 향상을 제공하기 위한 충분한 조건은 무엇인가?
• RQ4 준정적 위상 시프트 하에서 IRS 요소 수와 채널 통계에 따라 시스템 성능은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 양자화된 위상 시프트가 가용 속도에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 어떻게 경계할 수 있는가?

주요 결과

• LoS 성분이 강하고 간섭이 약할 경우, 순간 CSI 하의 평균 속도는 통계적 CSI 하의 에르고딕 속도를 초월할 수 있다.
• LoS 전력이 지배적이고 간섭이 무시할 만큼 약할 경우, 위상 시프트 설계의 전역 최적성이 달성된다.
• 제안된 PCD 알고리즘은 모든 시스템 구성에서 정류점으로 수렴하므로 실용적 적용 가능성이 보장된다.
• 특히 간섭이 높은 환경에서 비-IRS 및 전통적 IRS 기법들에 비해 뚜렷한 속도 향상을 달성한다.
• 양자화된 위상 시프트 하에서 가용 속도의 상한선은 해상도가 높을수록 감소하며, 대규모 IRS 어플라이언스에서는 경계가 타이트해진다.
• LoS 성분이 충분히 강할 경우, 간섭이 강하더라도 IRS 도입이 유리한 조건을 분석하여 도출하였다.