[논문 리뷰] Multi-Beam Multi-Hop Routing for Intelligent Reflecting Surfaces Aided Massive MIMO

Weidong Mei, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 36인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다중 반사면(Multi-IRS), 다중 사용자, 다중 비드(massive MIMO) 시스템에서 간섭을 최소화하기 위해 경로 분리 조건을 강제 적용하는 다중 비드 다중 스토프(MBHM) 라우팅 프레임워크를 제안한다. 최적의 IRS 선택과 반사 경로를 함께 설계하여 모든 사용자 중 최소 채널 이득을 최대화한다. 문제를 그래프 최적화 문제로 모델링하고, 재귀 알고리즘을 사용함으로써 엄격한 경로 분리 조건 하에서도 낮은 복잡도로 근사 최적 성능를 달성한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned to play a significant role in future wireless communication systems as an effective means of reconfiguring the radio signal propagation environment. In this paper, we study a new multi-IRS aided massive multiple-input multiple-output (MIMO) system, where a multi-antenna BS transmits independent messages to a set of remote single-antenna users using orthogonal beams that are subsequently reflected by different groups of IRSs via their respective multi-hop passive beamforming over pairwise line-of-sight (LoS) links. We aim to select optimal IRSs and their beam routing path for each of the users, along with the active/passive beamforming at the BS/IRSs, such that the minimum received signal power among all users is maximized. This problem is particularly difficult to solve due to a new type of path separation constraints for avoiding the IRS-reflected signal induced interference among different users. To tackle this difficulty, we first derive the optimal BS/IRS active/passive beamforming solutions based on their practical codebooks given the reflection paths. Then we show that the resultant multi-beam multi-hop routing problem can be recast as an equivalent graph-optimization problem, which is however NP-complete. To solve this challenging problem, we propose an efficient recursive algorithm to partially enumerate the feasible routing solutions, which is able to effectively balance the performance-complexity trade-off. Numerical results demonstrate that the proposed algorithm achieves near-optimal performance with low complexity and outperforms other benchmark schemes. Useful insights into the optimal multi-beam multi-hop routing design are also drawn under different setups of the multi-IRS aided massive MIMO network.

연구 동기 및 목표

• 다중 반사면, 다중 사용자, 다중 비드 MIMO 시스템에서 사용자 간 간섭 문제를 경로 분리 조건을 통해 해결하기 위해.
• 기지국의 능동 비드포밍, 반사면의 수동 비드포밍, 다중 스토프 반사 경로를 함께 최적화하기 위해.
• 실제 IRS 코드북 제약 조건 하에서 모든 사용자에 대한 수신 신호 강도의 최소값을 최대화하기 위해.
• NP-완전 문제인 MBHM 라우팅 문제에 대해 저복잡도이면서 고성능의 솔루션을 개발하기 위해.
• 종단 간 경로 손실과 협동 수동 비드포밍 이득 사이의 상호 상충 관계에 대한 설계 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 각 IRS와 사용자를 노드로, 반사 경로를 가중치가 부여된 간선으로 간주하는 그래프 최적화 문제로 문제를 재정의한다.
• 성능와 복잡도의 균형을 고려해 부분적 탐색을 수행하는 매개변수화된 재귀 알고리즘을 제안한다.
• 주어진 반사 경로에 대해 실용적인 IRS 코드북을 사용하여 최적의 능동/수동 비드포밍을 유도한다.
• 다른 사용자 간 간섭을 방지하기 위해 경로 분리 조건을 강제 적용한다.
• 다중 스토프 신호 반사 경로를 선택된 IRS 그룹을 통해 모델링하기 위해 그래프 이론을 활용한다.
• 성능 평가에서는 최대 최소 채널 이득을 지표로 사용하며, 다양한 코드북 해상도와 IRS 구성 조건에서 벤치마크와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 반사면 다중 사용자 다중 비드 MIMO 시스템에서 사용자 간 간섭 제약 조건 하에 최적의 다중 비드 다중 스토프 라우팅을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 IRS 코드북 해상도(제어 비트 수)가 달성 가능한 최대 최소 채널 이득에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 IRS 비드포밍 해상도가 제한된 조건에서 도착각(AoAs)과 출발각(AoDs)이 라우팅 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 종단 간 경로 손실 최소화와 협동 수동 비드포밍 이득 최대화 사이의 근본적인 상충 관계는 무엇인가?
• RQ5 IRS 반사 요소의 수가 최적의 라우팅 솔루션과 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 재귀 알고리즘은 전수 탐색에 비해 훨씬 낮은 복잡도로 근사 최적 성능를 달성한다.
• IRS 코드북 해상도가 낮을 경우(예: b₀ ≤ 3), AoAs와 AoDs가 성능를 지배하며, 경로 손실의 영향은 덜 중요해진다.
• 두 번째 벤치마크는 AoAs/AoDs를 무시하지만, b₀가 작을 경우 제안된 방법보다 성능이 열 劣하다. 그러나 b₀ ≥ 6일 경우 제안된 방법을 초월한다.
• 세 번째 벤치마크는 종단 간 경로 손실을 무시하지만, 전반적으로 제안된 방법보다 열 劣하다. 그러나 b₀ ≤ 3일 경우 두 번째 벤치마크를 초월한다.
• 경로 손실 최소화와 협동 수동 비드포밍 이득 최대화 사이에 근본적인 상충 관계가 존재하며, 다양한 IRS 요소 수에 따라 지배적인 요소가 달라진다.
• IRS 코드북 해상도가 제한된 조건에서는 최적의 MBHM 라우팅 설계에서 AoAs와 AoDs를 고려해야 한다.