[논문 리뷰] Decentralized Beamforming Design for Intelligent Reflecting Surface-enhanced Cell-free Networks

Shaocheng Huang, Yu Ye외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 인텔리전트 리플렉팅 서피스(IR)를 활용한 셀리스 네트워크에서 완전히 탈중앙화된 빔포밍 설계를 제안하며, 누적 ADMM를 사용하여 디지털 및 아날로그 빔포머를 최소한의 백홀링 신호 전송으로 동시에 최적화한다. 이 방법은 낮은 복잡도로 중심집중형 성능에 가까운 성능을 달성하며, 특히 IRS 배치와 저해상도 단계 이동을 고려할 때 국소 MRT/ZF 방법보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

Cell-free networks are considered as a promising distributed network architecture to satisfy the increasing number of users and high rate expectations in beyond-5G systems. However, to further enhance network capacity, an increasing number of high-cost base stations (BSs) are required. To address this problem and inspired by the cost-effective intelligent reflecting surface (IRS) technique, we propose a fully decentralized design framework for cooperative beamforming in IRS-aided cell-free networks. We first transform the centralized weighted sum-rate maximization problem into a tractable consensus optimization problem, and then an incremental alternating direction method of multipliers (ADMM) algorithm is proposed to locally update the beamformer. The complexity and convergence of the proposed method are analyzed, and these results show that the performance of the new scheme can asymptotically approach that of the centralized one as the number of iterations increases. Results also show that IRSs can significantly increase the system sum-rate of cell-free networks and the proposed method outperforms existing decentralized methods.

연구 동기 및 목표

• 다수의 기지국(BS)을 가진 대규모 셀리스 네트워크에서 중심집중형 빔포밍의 높은 비용과 백홀링 부담을 해결하기 위해.
• 비협력적 빔포밍(예: MRT, 국소 ZF)의 한계를 극복하여 이중 기지국 간 간섭을 효과적으로 억제하기 위해.
• 인텔리전트 리플렉팅 서피스(IR)를 통합하여 스펙트럼 효율성을 향상시키고 하드웨어 비용을 절감하기 위해.
• 완전히 탈중앙화된 최적화 프레임워크를 개발하여 전체 채널 상태 정보(CSI) 교환을 피하고 각 기지국에서 국소적이고 누적적인 업데이트를 가능하게 하기 위해.
• 기지국의 디지털 빔포머와 IRS의 아날로그 단계 이동을 동시에 최적화하며, 실용적인 저해상도 단계 이동을 고려하기 위해.

제안 방법

• 분수 프로그래밍을 사용하여 중심집중형 가중합산속도(WSR) 최대화 문제를 공통 최적화 문제로 변환한다.
• 누적 대체 방식의 다중수단 방법(ADMM)을 적용하여 각 반복에서 오직 세 개의 변수만 교환함으로써 국소적이고 반복적인 빔포머 업데이트를 가능하게 한다.
• IRS 아날로그 빔포머 최적화에서의 비볼록 제약 조건을 다루기 위해 저복잡도의 주도화-최소화(MM) 방법을 사용한다.
• 유한한 해상도(예: 3비트) 제약 조건 하에서 단계 정렬 하위문제를 해결함으로써 IRS 단계 이동을 최적화한다: $\angle[\bm{\theta}_b]_i^* = \text{arg}\min_{[\bm{\theta}_b]_i \in \mathcal{F}_2} |\angle[\bm{\theta}_b]_i - \angle[\bm{\theta}_b]_i^o|$.
• 누적 ADMM 알고리즘의 이론적 분석을 통해 수렴성을 확보하고 계산 복잡도를 근사한다.
• IRS 보조 채널을 직접 링크와 RIS 반사 링크의 조합으로 모델링한다: $\widehat{\bf h}_{b,k}^H = {\bf h}_{b,k}^H + {\bm{\theta}}^H {\bf V}_k^H {\bf G}_{b}$.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 셀리스 네트워크에 대해 전체 CSI 교환을 피하면서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지하는 탈중앙화 빔포밍 프레임워크를 설계할 수 있는가?
• RQ2 제안된 탈중앙화 방법의 성능은 중심집중형 및 기존의 탈중앙화 방법(예: 국소 MRT, ZF)과 비교하여 합산 속도 및 수렴성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 IRS의 도입이 시스템의 합산 속도에 어떤 영향을 미치며, IRS가 없는 기존 셀리스 네트워크와 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 시스템 성능는 IRS 단계 이동의 해상도에 얼마나 민감한가? 수용 가능한 성능 손실을 감안할 때 어느 정도의 양자화 수준이 충분한가?
• RQ5 제안된 누적 ADMM 기반 알고리즘의 수렴 특성과 계산 복잡도는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 탈중앙화 빔포밍 방법은 30회 이내의 반복 안에 중심집중형 방법과 동일한 합산 속도에 수렴하며, 연속 단계 이동 대비 3비트 단계 이동을 사용할 경우 약 4%의 합산 속도 손실을 기록한다.
• IRS 도입으로 인해 시스템의 합산 속도가 크게 향상되며, 제안된 방법은 모든 테스트 설정에서 국소 MRT 및 ZF 빔포밍을 능가한다.
• 전송 전력 $P_t$, 전송 안테나 수 $N_t$, IRS 반사 요소 수 $N$이 증가할수록 합산 속도가 증가하며, $N$과 $K$가 증가할수록 3비트와 연속 단계 이동 간의 성능 격차가 커진다.
• 누적 ADMM 알고리즘은 오직 각 반복에서 세 개의 변수만 교환함으로써 최소한의 백홀링 신호 전송으로 중심집중형 수준의 성능을 달성하여 대규모 네트워크에 대해 확장 가능하다.
• 낮은 해상도의 단계 이동 조건에서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지하므로, 3비트 해상도가 실용적 구현에 있어 수용 가능한 성능 손실을 감안할 때 충분히 충분하다.
• 이론적 수렴성 및 복잡도 분석을 통해 제안된 탈중앙화 프레임워크의 안정성과 확장 가능성을 확인하였다.