[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Network: Two-timescale Beamforming Optimization

Minjian Zhao, Qingqing Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 04.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 47인용 수 70

한 줄 요약

S-CSI로 장기 이산 IRS 위상 시프트를 최적화하고 I-CSI로 단기 활성 프리코딩을 수행하여 평균 합산률을 최대로 하는, IRS 보조 다중 사용자 MISO 시스템용 이중타임스케일(TTS) 빔포밍 프레임워크를 제안한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) has drawn a lot of attention recently as a promising new solution to achieve high spectral and energy efficiency for future wireless networks. By utilizing massive low-cost passive reflecting elements, the wireless propagation environment becomes controllable and thus can be made favorable for improving the communication performance. Prior works on IRS mainly rely on the instantaneous channel state information (I-CSI), which, however, is practically difficult to obtain for IRS-associated links due to its passive operation and large number of elements. To overcome this difficulty, we propose in this paper a new two-timescale (TTS) transmission protocol to maximize the achievable average sum-rate for an IRS-aided multiuser system under the general correlated Rician channel model. Specifically, the passive IRS phase-shifts are first optimized based on the statistical CSI (S-CSI) of all links, which varies much slowly as compared to their I-CSI, while the transmit beamforming/precoding vectors at the access point (AP) are then designed to cater to the I-CSI of the users' effective channels with the optimized IRS phase-shifts, thus significantly reducing the channel training overhead and passive beamforming complexity over the existing schemes based on the I-CSI of all channels. For the single-user case, a novel penalty dual decomposition (PDD)-based algorithm is proposed, where the IRS phase-shifts are updated in parallel to reduce the computational time. For the multiuser case, we propose a general TTS optimization algorithm by constructing a quadratic surrogate of the objective function, which cannot be explicitly expressed in closed-form. Simulation results are presented to validate the effectiveness of our proposed algorithms and evaluate the impact of S-CSI and channel correlation on the system performance.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 이산 위상 시프팅 하에서 큰 IRS를 갖는 IRS 채널 추정 및 빔포밍의 도전에 동기를 부여하고 해결한다.
• 통계적 CSI를 IRS 구성에, 순간 CSI를 AP 프리코딩에 사용하는 이중타임스케일 전송 프로토콜을 개발한다.
• 단일 사용자(PDD 기반) 및 다중 사용자(SSCA 기반) 시나리오에 대해 TTS 문제를 최적화하는 효율적 알고리즘을 제안한다.
• 채널 상관관계와 결정적 성분이 TTS 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 실용적 제약하에서 S-CSI를 이용한 IRS의 상당한 속도 이득을 IRS 없는 시스템과 비교하여 시연한다.

제안 방법

• N개의 요소를 갖는 IRS와 M개의 안테나를 가진 AP를 갖는 다중 사용자 MISO 하향링크를 모델링한다.
• AP-IRS, IRS-사용자, AP-사용자 링크에 대해 상관된 르시앙 페이딩 채널 모델을 채택한다.
• 장기 IRS 위상 시프트와 단기 프리코딩으로 평균 가중합률을 극대화하는 이중타임스케일 최적화 문제를 형식화한다.
• 단일 사용자 경우, 평균 속도 상한을 도출하고 병렬화 가능한 PDD 기반 알고리즘으로 결정적 비볼록 문제를 해결한다.
• 다중 사용자 경우, 목표의 2차 대 surrogate를 구성하고 라그랑지 쌍대 방법으로 해결하는 TTS SSCA 알고리즘을 개발하며 IRS 위상을 고정할 때는 WMMSE를 사용한다.
• 이산 위상 시프를 유한 집합으로 제한하여 S-CSI 대 I-CSI의 영향을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오직 통계적 CSI만 사용하여 IRS 위상 시프트를 최적으로 설계하는 방법은-training 및 계산을 줄일 수 있는가?
• RQ2 고정된 IRS 위상을 가진 각 시점에서 실효 채널에 따라 AP의 전송 프리코딩을 어떻게 각 시점에 적응시켜야 하는가?
• RQ3 이산 위상 시프와 상관된 르시앙 채널에서 이중타임스케일 방식의 성능 이득은 무엇인가?
• RQ4 채널의 결정적 성분과 공간 상관성이 TTS 최적화 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 병렬화 가능한 알고리즘(PDD, SSCA)이 전체 I-CSI 기반 설계에 비해 더 낮은 복잡도로 거의 최적해를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 TTS 방식은 장기 IRS 설계(S-CSI)와 단기 AP 프리코딩(I-CSI)을 분리함으로써 학습 오버헤드와 수동 빔포밍 복잡성을 줄인다.
• 단일 사용자 경우에 PDD 기반 알고리즘이 IRS 위상 시프의 병렬 업데이트를 가능하게 하여 이산 위상 시프 하에서 거의 최적의 성능을 달성한다.
• 다중 사용자 경우를 위한 일반적인 SSCA 기반 알고리즘이 2차 대 surrogate와 라그랑지 쌍대 방법으로 IRS 위상을 업데이트하고 단기 프리코딩에는 WMMSE를 사용하는 방식으로 발전한다.
• 시뮬레이션 결과 S-CSI를 갖춘 IRS가 IRS가 없는 시스템에 비해 속도를 크게 개선할 수 있으며, 결정적 성분이 크거나 상관이 높아질수록 S-CSI를 사용하는 경우의 속도 손실이 감소할 수 있다.
• 이 프레임워크는 이산 위상 시프를 수용하고 학습 및 계산 부담을 줄이면서 실용적인 성능 이득을 보여준다.