[논문 리뷰] Robust Beamforming Design for Intelligent Reflecting Surface Aided Cognitive Radio Systems with Imperfect Cascaded CSI

Lei Zhang, Cunhua Pan외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 36인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 연결 채널 상태 정보(CSI) 하에서 지능형 반사면(IR)을 활용하는 인지 방식 무선 시스템에 대해 강건한 빔포밍 설계를 제안한다. 이는 보조 사용자 송신기의 전송 예비처리와 IR에서의 수동 위상 이동을 함께 최적화하여 총 전송 전력의 최소화를 목표로 한다. 성층적 볼록 근사, 슈어의 보조정리, 페널티 볼록-오목 절차를 활용하여, 보조 사용자의 서비스 품질과 주 사용자에 대한 간섭 제약 조건을 확보하면서도 총 전송 전력을 최소화한다. 시뮬레이션 결과는 CSI 불확실성이 전력 효율성과 시스템 타당성에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, intelligent reflecting surface (IRS) is introduced to enhance the network performance of cognitive radio (CR) systems. Specifically, we investigate robust beamforming design based on both bounded channel state information (CSI) error model and statistical CSI error model for primary user (PU)-related channels in IRS-aided CR systems. We jointly optimize the transmit precoding (TPC) at the secondary user (SU) transmitter (ST) and phase shifts at the IRS to minimize the ST' s total transmit power subject to the quality of service of SUs, the limited interference imposed on the PU and unit-modulus of the reflective beamforming. The successive convex approximation (SCA) method, Schur's complement, General sign-definiteness principle, inverse Chi-square distribution and penalty convex-concave procedure are invoked for dealing with these intricate constraints. The non-convex optimization problems are transformed into several convex subproblems and efficient algorithms are proposed. Simulation results verify the efficiency of the proposed algorithms and reveal the impacts of CSI uncertainties on ST's minimum transmit power and feasibility rate of the optimization problems. Simulation results also show that the number of transmit antennas at the ST and the number of phase shifts at the IRS should be carefully chosen to balance the channel realization feasibility rate and the total transmit power.

연구 동기 및 목표

• 비협조적 링크로 인해 보조 사용자와 주 사용자 간 정확한 채널 추정이 어려운 IRS 보조 인지 방식 무선 시스템에서 불완전한 연결 채널 상태 정보(CSI) 문제를 해결하기 위해.
• 보조 사용자 송신기의 전송 예비처리와 IRS의 수동 위상 이동을 함께 최적화하여 총 전송 전력을 최소화하기 위해.
• 채널 추정 오차가 존재하더라도 보조 사용자의 서비스 품질을 보장하고 주 사용자에 대한 간섭을 제한하기 위해.
• 주 사용자 관련 채널에 대해 유한한 오차 및 통계적 CSI 오차 모델을 모두 고려한 강건한 설계를 개발하기 위해.
• CSI 불확실성이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해, 최소 전송 전력과 최적화 타당성 비율을 포함한다.

제안 방법

• QoS, 간섭, 단위 모듈러스 위상 이동 제약 조건 하에서 총 전송 전력을 최소화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 성층적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 적용하여 비볼록 문제를 반복적으로 볼록 하위문제로 근사한다.
• SINR 및 간섭 제약 조건에서 발생하는 준정방형 제약 조건을 다루기 위해 슈어의 보조정리와 일반적인 정부정의 원리를 활용한다.
• 주 사용자 관련 채널의 통계적 CSI 불확실성을 모델링하기 위해 역 카이제곱 분포를 사용한다.
• 통계적 CSI 오차 하에서 간섭 제약 조건의 비볼록성을 다루기 위해 페널티 볼록-오목 절차(Penalty-CCP)를 활용한다.
• 라그랑주 이완과 카르누흐-쿠른-터커(KKT) 조건을 통해 최적성 조건을 유도하며, 최적 예비처리기가 랭크-1 구조를 가짐을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 인지 방식 무선 시스템에서 불완전한 연결 CSI는 보조 사용자 송신기에서 요구되는 최소 전송 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 CSI 불확실성은 강건한 빔포밍 최적화 문제의 타당성 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 보조 사용자의 전송 안테나 수와 IRS 위상 이동 수는 전송 전력과 시스템 타당성 사이의 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 유한한 오차 및 통계적 CSI 오차 모델 하에서 강건한 빔포밍 설계는 보조 사용자의 QoS를 효과적으로 유지하면서 주 사용자에 대한 간섭을 제한할 수 있는가?
• RQ5 불완전한 CSI 하에서 총 전력 소비를 최소화하기 위해 전송 예비처리와 IRS 위상 이동의 최적 구성은 무엇인가?

주요 결과

• CSI 불확실성은 보조 사용자 송신기에서 요구되는 최소 전송 전력을 상당히 증가시키며, 불확실성이 클수록 전력 소비가 더 커진다.
• CSI 오차 경계가 증가할수록 최적화 문제의 타당성 비율이 감소하여 강건성과 시스템 성능 사이의 트레이드오프가 존재함을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과는 전송 안테나 수와 IRS 위상 이동 수를 시스템 타당성과 총 전송 전력의 균형을 맞추기 위해 신중히 선택해야 함을 보여준다.
• 제안된 알고리즘은 수렴성을 확보하고, 채널 불확실성 하에서 비강건 설계 대비 전력 효율성과 타당성 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 최적 예비처리기의 구조가 랭크-1임을 증명하여 이론적 유도 결과를 검증하고 효율적인 구현을 가능하게 한다.
• 페널티-CCP와 SCA 기반 접근법은 비볼록 제약 조건을 효과적으로 다루어 강건한 빔포밍 문제에 대한 실용적이고 효율적인 해법을 가능하게 한다.