[논문 리뷰] Exploiting Amplitude Control in Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Communication with Imperfect CSI

Minjian Zhao, Qingqing Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 46인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 훈련 자원 제한으로 인한 필수적인 채널 추정 오차로 인해 발생하는 성능 저하 문제를 해결하기 위해, 불완전한 CSI 하에서 IRS 보조 다중 사용자 시스템에서 동시 수신 전방향 조절 및 수동 반사 계수 최적화를 제안한다. 위상 이동 제어 외에 진폭 제어까지 통합하여 스펙트럼 효율을 향상시킨다. 단일 사용자 및 다중 사용자 환경에서 각각 페널티 Dinkelbach-BSUM 알고리즘과 PDD 기반 알고리즘을 도입함으로써, 기존의 위상만 제어하는 설계에 비해 상당한 데이터율 향상을 달성하며, 특히 CSI 오차 상황에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising new paradigm to achieve high spectral and energy efficiency for future wireless networks by reconfiguring the wireless signal propagation via passive reflection. To reap the potential gains of IRS, channel state information (CSI) is essential, whereas channel estimation errors are inevitable in practice due to limited channel training resources. In this paper, in order to optimize the performance of IRS-aided multiuser systems with imperfect CSI, we propose to jointly design the active transmit precoding at the access point (AP) and passive reflection coefficients of IRS, each consisting of not only the conventional phase shift and also the newly exploited amplitude variation. First, the achievable rate of each user is derived assuming a practical IRS channel estimation method, which shows that the interference due to CSI errors is intricately related to the AP transmit precoders, the channel training power and the IRS reflection coefficients during both channel training and data transmission. Then, for the single-user case, by combining the benefits of the penalty method, Dinkelbach method and block successive upper-bound minimization (BSUM) method, a new penalized Dinkelbach-BSUM algorithm is proposed to optimize the IRS reflection coefficients for maximizing the achievable data transmission rate subjected to CSI errors; while for the multiuser case, a new penalty dual decomposition (PDD)-based algorithm is proposed to maximize the users' weighted sum-rate. Simulation results are presented to validate the effectiveness of our proposed algorithms as compared to benchmark schemes. In particular, useful insights are drawn to characterize the effect of IRS reflection amplitude control (with/without the conventional phase shift) on the system performance under imperfect CSI.

연구 동기 및 목표

• 제한된 훈련 자원으로 인해 발생하는 필수적인 채널 추정 오차로 인한 IRS 보조 시스템의 성능 저하 문제를 해결한다.
• 기존에 다루지 않았던 IRS의 진폭 제어 가능성을 탐색하며, 기존의 위상 이동 제어와 병행하여 불완전한 CSI 하에서도 시스템의 강건성을 향상시킨다.
• CSI 불확실성 하에서 단일 사용자 시나리오의 가능 데이터율과 다중 사용자 시나리오의 가중치 합 데이터율을 최대화한다.
• 진폭 및 위상 제어를 포함한 동시 전방향 조절 및 IRS 반사 계수 최적화를 위한 효율적인 최적화 알고리즘을 개발한다.
• 시스템 설계를 위한 진폭 제어와 위상 제어 간의 상호 상충 관계를 실용적인 통찰으로 제공한다.

제안 방법

• 실용적인 IRS 채널 추정 방법을 기반으로 가능한 데이터율 표현을 유도하며, CSI 오차로 인한 간섭을 훈련 전력, 전방향 조절기 및 반사 계수의 함수로 모델링한다.
• 단일 사용자 데이터율 최대화 문제를 해결하기 위해 페널티 방법, Dinkelbach 기법 및 블록 순차 상한 최소화 기법을 융합한 페널티 Dinkelbach-BSUM 알고리즘을 제안한다.
• 불완전한 CSI 하에서 다중 사용자 가중치 합 데이터율 최대화 문제를 해결하기 위해 페널티 이중 분해(PDD) 기반 알고리즘을 개발한다.
• 기타 반사 계수를 고정한 상태에서 개별 IRS 반사 계수를 반복적으로 최적화하기 위해 블록 좌표 강하(BCD) 방법을 도입하며, 라그랑주 해석과 일阶 최적성 조건을 활용한다.
• 분수형 프로그래밍 문제를 연속적인 볼록 하위문제로 변환하기 위해 Dinkelbach 변수 갱신 단계를 통합한다.
• IRS 반사 계수의 단위 모듈러스 제약 조건을 만족시키기 위해 페널티 항을 도입하여 수렴성과 타당성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 CSI 하에서 IRS에서의 동시 진폭 및 위상 제어가 위상만 제어하는 경우에 비해 시스템 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 채널 훈련 전력과 전방향 조절기 설계는 IRS 보조 시스템에서 CSI 추정 오차로 인한 간섭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 페널티 Dinkelbach-BSUM 알고리즘이 불완전한 CSI 하에서 단일 사용자 케이스에서 수렴성과 성능 향상을 어떻게 보장하는가?
• RQ4 PDD 기반 알고리즘이 CSI 불확실성 하에서 다중 사용자 IRS 보조 시스템의 가중치 합 데이터율을 효과적으로 최대화할 수 있는가?
• RQ5 실용적인 관점에서 불완전한 CSI 하에서 IRS 반사의 진폭 제어와 위상 제어 간의 실질적 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 페널티 Dinkelbach-BSUM 알고리즘은 불완전한 CSI 하에서도 가능한 데이터율에 대해 단조 증가 보장과 함께 정류점에 수렴함을 보였다.
• PDD 기반 알고리즘은 진폭 및 위상 제어를 통한 동시 전방향 조절 및 반사 계수 최적화를 통해 다중 사용자 IRS 시스템에서 가중치 합 데이터율을 효과적으로 최대화한다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면, 진폭 제어가 특히 고속 이동성 또는 낮은 훈련 전력 조건에서 CSI 오차가 심한 상황에서 스펙트럼 효율을 크게 향상시킨다.
• CSI 추정 오차가 클수록 기존의 위상만 제어하는 IRS 반사 방식에 비해 동시 진폭 및 위상 제어가 더 뛰어난 성능을 보이며, 이는 향상된 강건성 덕분이다.
• IRS 요소가 진폭 조절이 가능할 경우, 더 낮은 훈련 오버헤드로 더 높은 데이터 전송 속도를 달성함으로써, 전체 반사 제어의 가치를 입증한다.
• 통찰에 따르면 진폭 제어가 CSI 오차의 악영향을 효과적으로 완화시켜 실용적 구현에서 IRS 보조 시스템의 강건성을 높일 수 있음을 확인하였다.