[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Design for MIMO System by Maximizing Sum-Path-Gains.

Boyu Ning, Zhi Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 8인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 송신기의 능동 beamformer와 IRS의 수동 위상 이득을 공동으로 최적화하여 스펙트럼 효율을 극대화하는 지능형 반사 표면(IUS) 지원 MIMO 시스템을 제안한다. 복잡한 혼합정수 비볼록 문제를 단순화하기 위해 최대화된 경로 이득 합계(MSG) 원리를 도입하고, ADMM를 통해 문제를 해결하며, SVD와 워터필링 beamforming을 활용해 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) serves as an emerging paradigm to enhance the wireless transmission with a low hardware cost and a reduced power consumption. In this letter, we investigate the IRS-assisted downlink multi-input multi-output (MIMO) system, where an Alice-Bob pair wishes to communicate with the assist of IRS. Our goal is to maximize the spectral efficiency by designing the active beamformer at Alice and the passive reflecting phase shifters (PSs) at the IRS, which turns out to be an intractable mixed integer non-convex optimization problem. To tackle this problem, we propose an efficient algorithm to obtain an effective solution. Specifically, the PSs at the IRS are optimized to maximize the sum of gains of different paths. Such a criterion is also referred to as the maximizing the sum of gains (MSG) principle. Then, an alternating direction method of multipliers (ADMM) algorithm is developed to solve the MSG-based optimization problem. With the obtained PSs, the beamformer at Alice is obtained by classic singular value decomposition (SVD) and water-filling (WF) solutions.

연구 동기 및 목표

• 낮은 하드웨어 비용과 에너지 소비로 IRS 보조 다운링크 MIMO 시스템의 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해.
• 능동 beamforming과 수동 위상 이득 설계를 공동으로 고려할 때 발생하는 해석이 불가능한 혼합정수 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해.
• 공동 최적화를 해석 가능한 하位 문제로 분해하는 효율적인 알고리즘을 개발하기 위해.
• 모든 다중 경로 성분을 통한 경로 이득 합계를 극대화하여 시스템의 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 모든 전파 경로를 통한 총 전력 이득을 극대화하여 IRS의 수동 위상 이득을 최적화하기 위해 최대화된 경로 이득 합계(MSG) 원리를 제안한다.
• MSG 기반 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 분할 역할 방법의 다중승수(ADMM)를 적용한다.
• 위상 이득이 결정된 후 송신기에서 최적의 능동 beamformer를 계산하기 위해 특이값 분해(SVD)를 사용한다.
• beamformed 신호에 워터필링(WF) 전력 할당을 적용하여 스펙트럼 효율을 추가로 향상시킨다.
• 공동 최적화를 두 단계로 분리하여 위상 이득 최적화 → beamformer 설계의 순차적 절차로 수행한다.
• 비볼록성과 위상 이득 변수의 정수 제약 조건을 다루기 위해 볼록 완화와 반복 정밀화 전략을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 MIMO 시스템에서 능동 beamforming과 수동 위상 이득의 공동 설계를 어떻게 최적화하여 스펙트럼 효율을 극대화할 수 있는가?
• RQ2 IRS beamforming에서 발생하는 해석이 불가능한 혼합정수 비볼록 최적화 문제를 단순화하기 위한 효과적인 히우리스틱 기준은 무엇인가?
• RQ3 ADMM 알고리즘이 수렴 보장을 갖는 MSG 기반 위상 이득 최적화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ4 제안된 MSG 기반 접근법은 고정된 위상 이득을 갖는 전통적인 beamforming 또는 IRS 없이 수행되는 경우에 비해 스펙트럼 효율에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• MSG 원리는 경로 이득 합계를 극대화하는 데 중점을 두어 해석이 불가능한 공동 최적화 문제를 해석 가능한 문제로 효과적으로 변환한다.
• ADMM 기반 알고리즘은 효율적으로 수렴하며 위상 이득 최적화 문제에 대해 고품질의 해를 제공한다.
• 위상 이득 최적화 이후 SVD와 워터필링 beamforming을 조합함으로써 근사 최적의 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면, 제안된 방법은 고정된 위상 이득을 갖는 전통적인 beamforming 또는 IRS 없이 수행되는 경우에 비해 스펙트럼 효율을 크게 향상시킨다.