[論文レビュー] Robust Design for Intelligent Reflecting Surface Assisted MIMO-OFDMA Terahertz Communications

Wanming Hao, Gangcan Sun+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 31被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、完全および不完全なチャネル状態情報（CSI）の下で重み付き和レートを最大化することを目的として、太赫茲MIMO-OFDMAシステムにおけるロバストなハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングおよび知能反射表面（IRS）反射行列設計を提案する。交互最適化および半定値緩和を活用することで、特に不完全なCSI下でも顕著なスペクトル効率の向上を達成し、ユーザー固有の重みによりQoSの差別化が可能となる。

ABSTRACT

Recently, terahertz (THz) communication has drawn considerable attention as one of the promising technologies for the future wireless communications owning to its ultra-wide bandwidth. Nonetheless, one major obstacle that prevents the actual deployment of THz lies in its inherent huge attenuation. Intelligent reflecting surface (IRS) and multiple-input multiple-output (MIMO) represent two effective solutions for compensating the large pathloss in THz systems. In this paper, we consider an IRS-aided multi-user THz MIMO system with orthogonal frequency division multiple access, where the sparse radio frequency chain antenna structure is adopted for reducing the power consumption. The objective is to maximize the weighted sum rate via jointly optimizing the hybrid analog/digital beamforming at the base station and reflection matrix at the IRS. {Since the analog beamforming and reflection matrix need to cater all users and subcarriers, it is difficult to directly solve the formulated problem, and thus, an alternatively iterative optimization algorithm is proposed.} Specifically, the analog beamforming is designed by solving a MIMO capacity maximization problem, while the digital beamforming and reflection matrix optimization are both tackled using semidefinite relaxation technique. Considering that obtaining perfect channel state information (CSI) is a challenging task in IRS-based systems, we further explore the case with the imperfect CSI for the channels from the IRS to users. Under this setup, we propose a robust beamforming and reflection matrix design scheme for the originally formulated non-convex optimization problem. Finally, simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithms.

研究の動機と目的

• 太赫茲（THz）通信における深刻な路損および遮蔽の課題に対処するため、知能反射表面（IRS）とMIMOを統合する。
• ベースステーション（BS）にスパースRFチェーンを備えたハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングアーキテクチャを設計し、消費電力を低減する。
• マルチユーザー・マルチサブキャリアTHz MIMO-OFDMAシステムにおいて、ビームフォーミングとIRS反射行列を共同最適化して重み付き和レートを最大化する。
• 実用的な不備を考慮し、IRSからユーザーへの不完全なCSIに基づくロバストなビームフォーミングおよび反射設計を開発する。
• 重み付き和レート最適化におけるユーザー固有の重みを用いて、サービス品質（QoS）の差別化を実現する。

提案手法

• ハイブリッドビームフォーミング（アナログおよびデジタル）とIRS反射行列の共同設計により、重み付き和レートを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 交互最適化アルゴリズムを提案：アナログビームフォーミングはMIMO容量最大化により解き、デジタルビームフォーミングおよび反射行列最適化には半定値緩和（SDR）を用いる。
• デジタルビームフォーミングおよび反射行列設計における非凸なランク1制約を処理するために、半定値緩和（SDR）を適用する。
• チャネル推定誤差をモデル化し、最も悪い状況の性能基準を用いて最適化に組み込むことで、不完全なCSIに対するロバスト設計フレームワークを構築する。
• ラグランジュの双対性およびカーシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて最適性条件を導出し、最適ビームフォーミング解のランク1構造を検証する。
• 繰り返しアルゴリズムを実装し、電力制約およびQoS制約の下で、アナログビームフォーミング、デジタルビームフォーミング、およびIRS反射係数を交互に最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THz MIMO-OFDMAシステムにおいて、ハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングとIRS反射を共同最適化することで、重み付き和レートを最大化する方法は何か？
• RQ2 チャネル推定誤差がシステム性能に与える影響は何か？ また、不完全なCSI下でロバスト性を確保するにはどうすればよいか？
• RQ3 ユーザー固有の重みが、IRS支援THz通信における公平性と和レートのトレードオフに与える影響は何か？
• RQ4 周波数選択的フェージング下で、マス・MIMOおよびスパースRFチェーンを備えたTHzシステムにおけるIRSの性能向上効果は何か？
• RQ5 提案されたSDRベース最適化は、広帯域THzシステムにおいて低計算複雑性で近最適性能を達成できるか？

主な発見

• 提案されたロバストなビームフォーミングおよび反射設計は、不完全なCSI下でもシステムの和レートを顕著に向上させ、性能劣化はチャネル推定誤差のレベルと直接相関している。
• ユーザー2に高い重み（α = [1 3]）が割り当てられた場合、そのデータレートは著しく向上するが、ユーザー1のレートおよび全和レートは低下する。これにより、QoSの差別化が有効に実現されていることが示された。
• 完全なCSI下では、不完全なCSI下よりも高い和レートが達成される。これは、THzシステムがCSI精度に極めて敏感であることを確認する。
• シミュレーション結果から、公平性を重視する場合、α = [1 3]とα = [1 1]の両方で重み付き和レートがほぼ同一であることが示された。これは、アルゴリズムが重みに基づいてユーザーのレートを効果的にバランスさせていることを示している。
• 提案されたアルゴリズムは安定して収束し、近最適性能を達成する。SDR緩和によりランク1の解が得られ、ビームフォーミング設計の最適性が裏付けられた。
• スパースRFチェーンの使用により、消費電力を低減しつつスペクトル効率の劣化を著しく引き起こさない。これにより、エネルギー制限のあるTHz展開に適したシステムとなる。