[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface-Aided Joint Processing Coordinated Multipoint Transmission

Meng Hua, Qingqing Wu외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 31.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 54인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 기지국의 빔포밍과 IRS의 위상 보정을 공동으로 최적화하여 세포 외곽 사용자의 최소 수신률을 극대화하기 위해 지능형 반사 표면(IUS)을 활용한 공동 처리 공동 다중점 전송(JP-CoMP) 방식을 제안한다. 평균 제곱 오차 재구성 및 반복 최적화를 통해 기존 CoMP 대비 뛰어난 스펙트럼 효율성 향상을 달성하였으며, 수치 결과는 IRS 도입으로 인한 상당한 데이터 전송률 향상을 보여준다.

ABSTRACT

This paper investigates intelligent reflecting surface (IRS)-aided multicell wireless networks, where an IRS is deployed to assist the joint processing coordinated multipoint (JP-CoMP) transmission from multiple base stations (BSs) to multiple cell-edge users. By taking into account the fairness among cell-edge users, we aim at maximizing the minimum achievable rate of cell-edge users by jointly optimizing the transmit beamforming at the BSs and the phase shifts at the IRS. As a compromise approach, we transform the non-convex max-min problem into an equivalent form based on the mean-square error method, which facilities the design of an efficient suboptimal iterative algorithm. In addition, we investigate two scenarios, namely the single-user system and the multiuser system. For the former scenario, the optimal transmit beamforming is obtained based on the dual subgradient method, while the phase shift matrix is optimized based on the Majorization-Minimization method. For the latter scenario, the transmit beamforming matrix and phase shift matrix are obtained by the second-order cone programming and semidefinite relaxation techniques, respectively. Numerical results demonstrate the significant performance improvement achieved by deploying an IRS. Furthermore, the proposed JP-CoMP design significantly outperforms the conventional coordinated scheduling/coordinated beamforming coordinated multipoint (CS/CB-CoMP) design in terms of max-min rate.

연구 동기 및 목표

• 대규모 MIMO 및 초고밀도 네트워크의 높은 에너지 소비와 하드웨어 비용 문제를 해결하기 위해 지능형 반사 표면(IRS)을 저비용·에너지 효율적인 대안으로 도입한다.
• 다세포 네트워크에서 세포 외곽 사용자 간의 공정성 문제를 해결하기 위해 모든 사용자에서 달성 가능한 최소 수신률을 극대화한다.
• 기지국의 전송 빔포밍과 IRS의 위상 보정을 공동으로 최적화하여 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시킨다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 평균 제곱 오차(MSE) 최소화와 순차적 볼록 근사 기반의 부분최적 반복 알고리즘을 개발한다.
• 제안된 IRS-기반 JP-CoMP 설계의 성능을 단일 사용자 및 다중 사용자 환경에서 평가하며, 기존의 공동 스케줄링/공동 빔포밍(CS/CB-CoMP)과 비교한다.

제안 방법

• 라그랑주 이중성과 Duncan-Guttman 항등식을 활용해 비볼록 최대 최소 수신률 문제를 MSE 기반 최적화 문제로 동치 변환한다.
• 단일 사용자 케이스의 경우 이중 서브그래디언트 방법을 통해 최적의 빔포밍을 유도하고, 주요성 최소화(MM) 알고리즘을 활용해 IRS 위상 보정을 최적화한다.
• 다중 사용자 케이스의 경우 빔포밍 행렬 최적화에 두차원 선형체형 프로그래밍(SOCP)을 적용하고, 비볼록 위상 보정 제약 조건을 다루기 위해 정수형 완화(SDR) 기법을 사용한다.
• 빔포밍과 위상 보정 최적화를 분리하기 위해 라그랑주 이중 형식을 도입하여 양변의 반복 개선을 가능하게 한다.
• 카우시-카르마이어-타우너(KKT) 조건을 활용해 MMSE 해를 기반으로 최적의 빔포밍 및 수신 필터 행렬에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다.
• 벡터화된 행렬 형태와 트레이스 항등식을 활용해 전력 제약과 수신률 제약를 재구성하여 반복 알고리즘 내에서 효율적인 구현을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 도입은 다세포 공동 처리 공동 다중점(JP-CoMP) 시스템에서 스펙트럼 효율성과 공정성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 기지국의 전송 빔포밍과 IRS의 위상 보정을 공동으로 최적화하여 세포 외곽 사용자의 최소 수신률을 극대화하기 위한 최적의 설계는 무엇인가?
• RQ3 제안된 IRS 기반 JP-CoMP 방식은 기존 CS/CB-CoMP 대비 최대 최소 수신률 및 공정성 측면에서 성능이 어떻게 향상되는가?
• RQ4 비볼록 최대 최소 수신률 문제는 MSE 최소화와 순차적 볼록 근사 기법을 통해 효과적으로 변환 및 해법이 가능한가?
• RQ5 단일 사용자와 다중 사용자 환경에서의 IRS 기반 JP-CoMP 성능 향상은 어떠한가? 최적화 기법은 스케일링에 어떻게 대응하는가?

주요 결과

• 제안된 IRS 기반 JP-CoMP 방식은 기존 CS/CB-CoMP 대비 세포 외곽 사용자의 최소 달성 수신률을 크게 향상시켜 뛰어난 스펙트럼 효율성 향상을 입증한다.
• 수치 결과는 IRS 도입이 반사 요소 수 $ N $ 에 대해 제곱 형태의 전력 이득 $ ext{O}(N^2) $ 을 제공함을 보여주며, 신호 대 잡음비(SNR)가 제곱 증가함을 시사한다.
• MSE 최소화와 순차적 볼록 근사 기반의 반복 알고리즘이 고품질의 부분최적 해로 수렴하며, 단일 사용자 케이스에서는 이중 서브그래디언트 최적화를 통해 전역 최적의 빔포밍을 달성한다.
• MM 기반 위상 보정 최적화는 국소 최적 해로 수렴하며, 목적 신호는 구성적으로 강화하고 간섭은 파괴적으로 조절하도록 위상 보정 행렬이 설계된다.
• 빔포밍과 수동 빔포밍의 공동 최적화 덕분에 제안된 방법은 특히 세포 외곽 커버리지와 공정성 측면에서 기존 CoMP 기법보다 최대 최소 수신률 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 1,720개의 요소를 가진 대규모 IRS의 총 전력 소비는 단지 0.280 W에 불과하여, IRS가 저비용 구현 솔루션으로서 에너지 효율성이 뛰어나다는 것을 확인한다.