[论文解读] MISO Wireless Communication Systems via Intelligent Reflecting Surfaces

Xianghao Yu, Dongfang Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 16被引用 205

一句话总结

本文在MISO系统中通过固定点迭代和流形优化联合设计AP波束成形和IRS相位移，在比SDR更高的频谱效率下实现更低的复杂度。它还表明大规模IRS在频谱和能量效率方面优于扩大AP天线阵列。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surfaces (IRSs) have received considerable attention from the wireless communications research community recently. In particular, as low-cost passive devices, IRSs enable the control of the wireless propagation environment, which is not possible in conventional wireless networks. To take full advantage of such IRS-assisted communication systems, both the beamformer at the access point (AP) and the phase shifts at the IRS need to be optimally designed. However, thus far, the optimal design is not well understood. In this paper, a point-to-point IRS-assisted multiple-input single-output (MISO) communication system is investigated. The beamformer at the AP and the IRS phase shifts are jointly optimized to maximize the spectral efficiency. Two efficient algorithms exploiting fixed point iteration and manifold optimization techniques, respectively, are developed for solving the resulting non-convex optimization problem. The proposed algorithms not only achieve a higher spectral efficiency but also lead to a lower computational complexity than the state-of-the-art approach. Simulation results reveal that deploying large-scale IRSs in wireless systems is more efficient than increasing the antenna array size at the AP for enhancing both the spectral and the energy efficiency.

研究动机与目标

• 通过重新配置传播环境（使用智能反射表面IRS）来实现能效无线设计的动机。
• 联合优化AP波束成形器和IRS相位移，在功率约束下最大化频谱效率。
• 开发具可证明局部最优性的对非凸单位模约束的计算高效算法。
• 相对于现有的SDR方法，评估性能与复杂度，并分析IRS规模对效率的影响。

提出的方法

• 通过带有单位模约束的非凸问题，将波束向量f和IRS相位移联合优化公式化。
• 将其改写为一个QCQP并通过两种新颖方法求解：一种固定点迭代（算法1），保证局部最优的v和用于f的MRT
• 以及在复圆流形上的流形优化（算法2），在复平面圆周流形上使用黎曼梯度、向量传输和回拉。
• 通过基于特征向量的松弛和相位提取进行初始化，以启动算法。
• 在频谱效率和计算复杂度方面与基于SDR的基线进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否高效地求解AP波束成形和IRS相位移的联合优化，以在MISOIRS辅助系统中实现高频谱效率？
• RQ2 固定点迭代和流形优化是否能给出局部最优解，在性能和复杂度方面优于SDR？
• RQ3 IRS规模（M）如何影响频谱效率和相对于增加AP天线数的能量效率？
• RQ4 当IRS和直达信道较强时，AP的MRT是否足够，以及联合设计在其他工作模式下的收益？

主要发现

• 所提出的固定点和流形优化方法在仿真中实现了相似的频谱效率，并优于SDR。
• 两种方法在单位模约束下均收敛到局部最优解。
• SDR基线解法计算量更大，尤其是对于较大的M，而所提方法的扩展性更好。
• 仿真表明部署大规模IRS相较于扩大AP天线阵列能获得更高的频谱和能量效率。
• IRS辅助系统在没有IRS的情况下优于MRT，并且随着M增大，获得的频谱增益要优于简单地增加Nt，且当M增大时增益更明显。