[논문 리뷰] Beamforming Optimization for Intelligent Reflecting Surface with Discrete Phase Shifts

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 25.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 액세스 포인트의 전송 beamforming과 지능형 반사 표면(IR)에서 이산 단계 이동 beamforming을 공동으로 설계하여 사용자의 SNR 제약 조건 하에서 전송 전력의 최소화를 위해 저복잡도의 교대 최적화 알고리즘을 제안한다. 분석적으로, 무한히 큰 IRS 크기를 가질 경우 이산 단계 이동으로 인한 성능 손실이 단지 단계 이동 수준의 수에만 의존하는 상수로 수렴함을 보이며, 조밀한 1비트 단계 이동기구를 사용하더라도 여전히 점점 커지는 제곱 전력 이득을 유지한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising technology for achieving high spectrum efficiency in future wireless networks by leveraging massive low-cost reflecting elements with each reflecting the incident signal with a proper phase shift. However, prior works on IRS are mainly based on the optimization of infinite-resolution phase shifters which are practically infeasible due to hardware imperfections. In contrast, we study in this paper an IRS-aided wireless network, where an IRS with only finite-resolution phase shifter available at each element is deployed to assist in the communication from a multi-antenna access point (AP) to a single-antenna user. We aim to minimize the transmit power at the AP by jointly optimizing the transmit beamforming at the AP and reflect beamforming at the IRS, subject to the signal-to-noise ratio (SNR) constraint and practical discrete phase shift constraints. We first propose a suboptimal but low-complexity algorithm by exploiting the alternating optimization technique. Then, we reveal that as in the case with continuous phase shifts, the IRS with discrete phase shifts also achieves the squared power gain for asymptotically large number of reflecting elements, despite suffering a performance loss that depends only on the resolution of phase shifters.

연구 동기 및 목표

• 이deal 연속 단계 이동이 아닌 유한 해상도의 단계 이동기구를 사용하는 IRS의 실용적 도전 과제를 다루기.
• 단일 안테나 사용자에서 목표 신호 대 잡음비(SNR)를 확보하면서 다중 안테나 액세스 포인트의 전송 전력을 최소화하기.
• 연속 전송 beamforming과 IRS에서의 이산 반사 beamforming을 조합한 공동 beamforming 전략 설계하기.
• 대규모 어플라이언스 영역에서 이산 단계 이동 IRS와 이상적인 연속 단계 이동 IRS 간의 기본 성능 격차 분석하기.
• 다양한 IRS 크기, 단계 이동 해상도(1비트 및 2비트), 사용자 위치에서의 시뮬레이션과 분석적 검증을 통해 제안된 알고리즘의 효과성 입증하기.

제안 방법

• SNR 제약 조건과 이산 단계 이동 제약 조건 하에서 전송 전력 최소화를 위한 비볼록 최적화 문제 수립하기.
• 교대 최적화(AO)를 적용하여 전송 beamforming과 이산 단계 이동을 번갈아가며 최적화하기. 한 쪽을 고정하고 다른 쪽을 최적화함.
• 기타 단계 이동이 고정된 상태에서 각 IRS 요소에 대해 사용 가능한 단계 수준의 유한 집합에서 전방위적 검색을 통해 최적의 이산 단계 이동 계산하기.
• 성능 손실 평가를 위해 최적의 연속 단계 이동 해답을 하한으로 사용하는 정수형 프로그래밍(SDP) 활용하기.
• 단계 양자화로 인한 점 渐진 성능 손실에 대한 분석적 표현 유도하기. 이는 단지 단계 이동 수준의 수에만 의존하며 반사 요소의 수에는 영향을 받지 않음.
• 다양한 IRS 크기, 단계 이동 해상도(1비트 및 2비트), 사용자 위치에서의 시뮬레이션을 통해 방법 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반사 요소 수가 매우 많아질 경우, IRS 보조 시스템에서 연속 단계 이동 대비 이산 단계 이동을 사용할 때의 기본 성능 손실은 무엇인가?
• RQ2 저복잡도 알고리즘이 이산 단계 제약 조건 하에서 공동 전송 및 반사 beamforming 설계에서 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ3 1비트 IRS는 연속 단계 이동 IRS에 비해 전송 전력 감소 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 단계 이동이 유한한 수준의 값으로 양자화되어도 IRS의 점 渐진 제곱 전력 이득이 그대로 유지되는가?
• RQ5 반복 최적화 알고리즘은 이산 단계 이동을 갖는 단순 초기화 방법에 비해 얼마나 높은 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• 반사 요소 수가 증가함에 따라 이산 단계 이동으로 인한 성능 손실이 상수로 수렴하며, 요소 수에 관계없이 동일하다.
• 1비트 단계 이동기구의 경우 점 渐진 성능 손실은 약 -3.9224 dB이며, 2비트 단계 이동기구의 경우 -0.9224 dB이다.
• 1비트 단계 이동기구를 사용하더라도 IRS는 연속 단계 이동의 경우와 동일한 점 渐진 제곱 전력 이득을 달성하여 IRS의 핵심 성능 이점을 유지한다.
• 제안된 AO 기반 알고리즘은 근사 최적 성능을 달성하며, 전방위적 검색과 매우 유사한 성능을 보이며, 특히 1비트 단계 이동기구를 사용할 경우 초기화 방법보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보인다.
• 특히 사용자가 IRS에 가까이 있을 경우, IRS를 사용하지 않을 때보다 이산 단계 이동을 갖는 IRS를 사용할 경우 AP에서 요구하는 전송 전력이 크게 감소한다.
• AO 알고리즘과 전방위적 검색 간의 성능 격차는 극히 미미하여 제안된 저복잡도 접근의 효율성과 효과성을 확인한다.