[論文レビュー] Beamforming Optimization for Wireless Network Aided by Intelligent Reflecting Surface with Discrete Phase Shifts

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用数 43

ひとこと要約

本論文は、多天線APにおけるアクティブプリコーディングと離散位相IRSビームフォーミングを結合して、SINR制約下でAP送信電力を最小化することを、単一ユーザーおよびマルチユーザーの下りリンクに対して検討する。大規模N極限において、離散位相IRSは連続位相IRSと同じO(N^2)の電力利得を達成でき、一定の、ビット依存の電力損失を伴う。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a cost-effective solution for achieving high spectrum and energy efficiency in future wireless networks by leveraging massive low-cost passive elements that are able to reflect the signals with adjustable phase shifts. Prior works on IRS mainly consider continuous phase shifts at reflecting elements, which are practically difficult to implement due to the hardware limitation. In contrast, we study in this paper an IRS-aided wireless network, where an IRS with only a finite number of phase shifts at each element is deployed to assist in the communication from a multi-antenna access point (AP) to multiple single-antenna users. We aim to minimize the transmit power at the AP by jointly optimizing the continuous transmit precoding at the AP and the discrete reflect phase shifts at the IRS, subject to a given set of minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints at the user receivers. The considered problem is shown to be a mixed-integer non-linear program (MINLP) and thus is difficult to solve in general. To tackle this problem, we first study the single-user case with one user assisted by the IRS and propose both optimal and suboptimal algorithms for solving it. Besides, we analytically show that as compared to the ideal case with continuous phase shifts, the IRS with discrete phase shifts achieves the same squared power gain in terms of asymptotically large number of reflecting elements, while a constant proportional power loss is incurred that depends only on the number of phase-shift levels. The proposed designs for the single-user case are also extended to the general setup with multiple users among which some are aided by the IRS. Simulation results verify our performance analysis as well as the effectiveness of our proposed designs as compared to various benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 実用的なIRS導入を、理想的な連続位相シフトではなく離散位相シフトで促進する。
• SINR制約下でのアクティブプリコーディングとIRS離散位相の共同最適化によってAP送信電力を最小化する。
• 単一ユーザーに対する最適解と低計算量アルゴリズムを提供し、マルチユーザーへ拡張する。
• 位相離離散化による漸近的電力損失を特徴づけ、連続位相ベンチマークと比較する。

提案手法

• SINR制約下でのAPプリコーディングとIRS離散位相シフトの結合問題をMINLPとして定式化する。
• 単一ユーザーのサブ問題をSOS1と分枝限定法を用いてILPへ変換し、全局最適性を確保する。
• 低計算量の逐次精練アルゴリズムを開発し、離散位相を1つずつ割り当てる。
• Nが大きくなるにつれて、離散位相シフトは位相レベルのみに依存する一定の電力損失をもたらすことを示す。
• マルチユーザーへ拡張し、ゼロフォーシングプリコーディングとベンチマークと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模N領域で離散IRS位相シフトは連続シフトと同じ漸近的電力利得を達成できるか。
• RQ2 単一ユーザーおよびマルチユーザー下りリンクのために、APプリコーディングとIRS離散位相を共同設計する最適または近似最適戦略は何か。
• RQ3 位相離散化は連続位相IRSと比較して送信電力とシステム性能にどのような影響を与えるか。
• RQ4 電力損失とコストの観点から、IRS素子数Nと位相シフト分解能bのトレードオフは何か。

主な発見

Number of control bits b	Power loss (dB)	Notes
1	3.9	Discrete 1-bit phase shifts yield ~3.9 dB loss relative to continuous case.
2	0.9	2-bit phase shifts yield ~0.9 dB loss.
3	0.2	3-bit phase shifts yield ~0.2 dB loss.
∞	0	Continuous-phase Shifs (theoretical limit)

• 単一ユーザーの場合、離散位相IRSの最適化はILP（分枝限定法）で解けるか、低計算量の逐次精練で近似解を得て最適に近づく。
• N → ∞ のとき、受信電力比 P_r(b)/P_r(∞) は η(b) = ((2^b/π) sin(π/2^b))^2 に収束し、電力損失は N ではなく b のみに依存する。
• b=1,2,3 の場合、それぞれ漸近的電力損失は 3.9 dB、0.9 dB、0.2 dB であり、bが増えると連続位相性能に近づく。
• 連続位相シフトでの O(N^2) の漸近的電力利得は、離散位相シフトに対しても大規模N極限で成り立つ。
• マルチユーザーシナリオでは、提案設計は量子化ベースおよびコードブックベースのスキームを上回り、少数のアクティブアンテナでMassive MIMOと同等のマルチユーザーSINR性能を達成できる。
• シミュレーション結果は理論分析を検証し、離散位相IRSデザインの有効性を示す。