[논문 리뷰] Statistical CSI based Design for Intelligent Reflecting Surface Assisted MISO Systems

Xiao Hu, Junwei Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 19.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 16인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 통계적 채널 상태 정보(CSI)만을 사용하여 MISO 시스템에서 동시 전송 beamforming 및 지능형 반사 표면(IRS) 위상 시프트 설계를 제안하며, 순시 CSI 기반 기준치에 가까운 에르고딕 용량을 달성한다. 라이스 페이딩(LOS 경로 존재)의 경우 수렴이 보장되는 반복 알고리즘을 개발하였고, 레이일리 페이딩(LOS 없음)의 경우 닫힌 형태의 해를 도출하였다. 두 경우 모두 훨씬 낮은 훈련 오버헤드와 복잡도로 거의 최적의 성능를 보였다.

ABSTRACT

This paper considers an intelligent reflecting surface (IRS) aided multiple-input single-output communication system, where statistical channel state information (CSI) is exploited for transmit beamforming and IRS beamforming. A tight upper bound is derived for the ergodic capacity of the system. Based on which, the joint optimization of transmit beam and IRS beam are studied. Depending on whether a line-of-sight path exists between the access point and user, two different cases, namely, Rician fading and Rayleigh fading, are separately treated. Specifically, for the Rician fading case, an iterative algorithm is proposed, which is guaranteed to converge. For the Rayleigh fading case, closed-form designs are obtained for the transmit beam and IRS beam. Simulation results show the proposed beamforming scheme achieves similar performance as the benchmark algorithm requiring instantaneous CSI.

연구 동기 및 목표

• IRS 보조 MISO 시스템에서 순시 CSI를 확보하는 데 필요한 높은 훈련 오버헤드와 하드웨어 비용 문제를 해결하기 위해.
• 순시 CSI 대신 통계적 CSI만을 사용하여 동시 전송 beamforming 및 IRS 위상 시프트를 설계하기 위해.
• 실제 채널 모델인 라이스 페이딩(LOS 존재)과 레이일리 페이딩(LOS 없음)에 대해 에르고딕 용량을 최대화하기 위해.
• 순시 CSI 기반 기준치와 유사한 성능를 보이며, 복잡도가 낮은 고성능 beamforming 알고리즘을 개발하기 위해.

제안 방법

• 통계적 CSI를 사용하여 IRS 보조 MISO 시스템의 에르고딕 용량에 대한 날카운 상한을 유도한다.
• 라이스 페이딩의 경우, 전송 beamformer와 IRS 위상 시프트를 번갈아 최적화하는 반복 최적화 알고리즘을 설정하며, 각각 닫힌 형태로 표현된다.
• 단조성과 유계성 논증을 사용하여 반복 알고리즘의 수렴성을 증명한다.
• 레이일리 페이딩의 경우, 분석 최적화를 통해 전송 beamformer와 IRS 위상 시프트에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여 상한의 타당성과 제안된 방법의 성능를 검증한다.
• 순시 CSI가 필요한 기준 알고리즘 및 무작위 beamforming과의 비교를 통해 성능 향상과 복잡도 감소를 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순시 CSI가 아닌 통계적 CSI만을 사용하여 동시 전송 beamforming 및 IRS 위상 시프트 설계가 순시 CSI 기반 시스템의 에르고딕 용량에 근접한 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ2 통계적 CSI 하에서 IRS 보조 MISO 시스템에서 라인오브사이트(LOS) 경로의 존재가 성능와 설계 접근법에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 통계적 CSI만을 사용할 때, 레이일리 페이딩 환경에서 IRS beamforming과 전송 beamforming에 대해 닫힌 형태의 해를 도출할 수 있는가?
• RQ4 IRS 반사 요소의 수와 전송 전력은 통계적 CSI 하에서 에르고딕 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 라이스 페이딩 상황에서 제안된 반복 알고리즘의 수렴 특성과 계산 복잡도는 어떠한가?

주요 결과

• 라이스 페이딩에 대한 제안된 반복 알고리즘은 매우 빠르게 수렴하며, AP 안테나와 IRS 요소의 모든 테스트 구성에서 최소 3회 반복 이내에 부분 최적해에 도달한다.
• IRS 반사 요소의 수가 증가할수록 에르고딕 용량이 크게 증가하여 대규모 IRS 배치의 이점이 확인된다.
• 라이스 페이딩의 경우, 제안된 알고리즘이 순시 CSI 기반 기준 알고리즘과 거의 동일한 성능를 보이며, 라이스 K-팩터가 증가할수록 더욱 유사해진다.
• 레이일리 페이딩의 경우, 닫힌 형태의 beamforming 해법이 순시 CSI 기반 기준과 구분되지 않을 정도로 뛰어난 성능를 보이며, 계산 복잡도가 크게 낮다.
• 반사 요소의 수가 증가함에 따라 라이스와 레이일리 페이딩 간의 성능 격차가 줄어들며, 이는 IRS 보조 채널의 지배적 영향 때문이 다.
• 충분한 IRS 요소(예: 50개 이상)가 존재할 경우, 라이스 및 레이일리 페이딩 시스템 모두 유사한 에르고딕 용량을 달성하여, 직접 채널 통계와 관계없이 IRS 채널이 주요 링크가 된다는 것을 시사한다.