[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface for Multicell MIMO Communications

Cunhua Pan, Hong Ren외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 25.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 다셀 MIMO 시스템에서 세포 경계에 지능형 반사면(IUS)을 도입하여 스펙트럼 효율을 향상시키고 이셀 간 간섭을 감소시키는 것을 제안한다. 블록 좌표 강하법을 사용하여 기지국의 전방향 조정과 IRS의 위상 이득을 함께 최적화함으로써, 가중합속도를 최대화하여 세포 가장자리 사용자에게 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned to be a disruptive and revolutionizing technology that can achieve both spectral and energy efficient wireless communications and provide a radio-controllable environment. In specific, IRS is a planar that consists of a large number of passive reflection elements that that induce phase shifts on the impinging electromagnetic waves so that the reflected signal can be constructively added at the desired user or destructively at the unintended users. In this paper, we propose to deploy an IRS at cell boundary of multiple cells to assist the transmission for cell-edge users, and also help alleviate the inter-cell interference, which is a crucial issue in multicell communication systems. We aim to maximize the weighted sum rate (WSR) of all users through jointly optimizing the active precoding matrices at the BSs and the phase shifts at the IRS subject to each BS's power constraint and unit modulus constraint. Both BSs and users are equipped with multiple antennas, which can enhance the spectral efficiency. Due to the non-convexity of the problem, we first reformulate it into an equivalent one, which is solved by using the block coordinate descent algorithm where precoding matrices and phase shifts are alternatively optimized. The optimal precoding matrices can be obtained in closed form when fixing the phase shifts. Two efficient algorithms are proposed to solve the phase shift optimization problem, i.e., Majorization-Minimization (MM) Algorithm and Complex Circle Manifold (CCM) Method. Both algorithms are guaranteed to converge to at least locally optimal solution. Finally, simulation results confirm the advantages of introducing IRS in enhancing the cell-edge user performance.

연구 동기 및 목표

• 다셀 MIMO 시스템에서 이셀 간 간섭과 열악한 세포 가장자리 사용자 성능 문제를 해결하기 위해.
• 세포 경계에 배치된 지능형 반사면(IUS)을 통해 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 전력 제약과 단위 모듈러스 제약 조건 하에서 기지국의 능동적 전방향 조정과 IRS의 수동적 위상 이득을 공동으로 최적화하기 위해.
• 다셀 환경에서 모든 사용자의 가중합속도(WSR)를 최대화하기 위해.
• 비볼록 최적화 문제에 대해 국소적으로 최적의 해에 수렴하는 효율적인 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• 비볼록 WSR 최적화 문제를 해석 가능한 최적화에 적합한 동등한 형태로 재구성한다.
• 블록 좌표 강하법을 적용하여 전방향 조정 행렬과 IRS 위상 이득을 번갈아가며 최적화한다.
• 위상 이득이 고정되어 있을 경우 전방향 조정 행렬에 대한 폐쇄형 해를 유도한다.
• 위상 이득 최적화를 위한 두 가지 알고리즘 — 주도화-최소화(MM) 및 복소수 원환면(CCm) — 를 제안한다.
• MM 및 CCM 알고리즘이 최소한 국소적으로 최적의 해에 수렴하도록 보장한다.
• 각 기지국에 전력 제약 조건과 IRS 반사 계수에 단위 모듈러스 제약 조건을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포 경계에 IRS를 도입하면 다셀 MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시키고 이셀 간 간섭을 줄일 수 있는가?
• RQ2 기지국 전방향 조정과 IRS 위상 이득 간의 공동 최적화 전략은 어떻게 가중합속도를 최대화하는가?
• RQ3 MM 및 CCM 알고리즘이 비볼록 위상 이득 최적화 문제를 해결하는 데 있어 어떻게 비교되는가?
• RQ4 다셀 환경에서 IRS는 세포 가장자리 사용자에게 어떤 성능 향상을 제공하는가?
• RQ5 제안된 알고리즘은 실용적 제약 조건 하에서 국소적으로 최적의 해에 수렴할 수 있는가?

주요 결과

• 전방향 조정과 위상 이득의 공동 최적화는 기존 방법에 비해 가중합속도를 뚜렷이 향상시킨다.
• MM 및 CCM 알고리즘 모두 국소적으로 최적의 해에 수렴하여 신뢰할 수 있는 성능를 보장한다.
• 세포 경계에 배치된 IRS는 이셀 간 간섭을 효과적으로 완화하고 세포 가장자리 사용자 속도를 향상시킨다.
• 위상 이득이 고정되어 있을 경우 전방향 조정 행렬에 대한 폐쇄형 해를 도출함으로써 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 IRS가 스펙트럼 효율성을 향상시키고 세포 가장자리 사용자에게 더 신뢰할 수 있는 통신을 지원함을 확인한다.
• IRS를 통한 건설적 신호 합성 덕분에 특히 도전적인 세포 가장자리 환경에서 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.