[论文解读] Achievable Rate maximization by Passive Intelligent Mirrors

Chongwen Huang, Alessio Zappone+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种低复杂度、可证明收敛的算法，联合优化发射功率与被动智能镜面（PIM）相位偏移，以最大化多用户MISO下行链路系统中的和速率。通过结合交替优化与主化-最小化（majorization-minimization）方法，该方法实现了接近最优的性能，与传统无PIM系统相比，频谱效率提升超过40%，且无需额外能耗。

ABSTRACT

This paper investigates the use of a Passive Intelligent Mirrors (PIM) to operate a multi-user MISO downlink communication. The transmit powers and the mirror reflection coefficients are designed for sum-rate maximization subject to individual QoS guarantees to the mobile users. The resulting problem is non-convex, and is tackled by combining alternating maximization with the majorization-minimization method. Numerical results show the merits of the proposed approach, and in particular that the use of PIM increases the system throughput by at least $40\%$, without requiring any additional energy consumption.

研究动机与目标

• 通过实现节能、高容量通信，应对未来无线网络中的可持续性挑战。
• 克服PIM辅助的多用户MISO下行链路系统中联合功率与相位偏移优化的非凸性问题。
• 在满足各用户服务质量（QoS）约束的前提下，最大化系统和速率。
• 为实际部署被动智能镜面，开发一种低复杂度且收敛的算法。
• 展示PIM相较于无智能反射面的传统系统所实现的性能增益。

提出的方法

• 建立一个具有用户速率约束和总功率限制的非凸和速率最大化问题。
• 应用交替优化方法，迭代更新发射功率与PIM相位偏移矩阵。
• 采用主化-最小化（MM）框架，通过构建代理上界来处理非凸相位偏移优化问题。
• 通过特征分解与有效信道响应的相位对齐，实现相位偏移的闭式迭代更新。
• 基于零迫波束成形下的Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件，实施功率分配步骤。
• 集成收敛性检查与可行性测试，确保解满足功率与QoS约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 被动智能镜面是否能在不增加额外能耗的前提下，显著提升多用户MISO下行链路系统的频谱效率？
• RQ2 如何高效求解发射功率与PIM相位偏移的联合非凸优化问题，并保证可证明收敛？
• RQ3 与无智能反射面的传统系统相比，PIM可实现的速率增益是多少？
• RQ4 PIM单元数量如何影响系统频谱效率与收敛行为？
• RQ5 所提出的低复杂度算法在性能与收敛速度方面，与全局最优解的接近程度如何？

主要发现

• 所提算法在严格QoS与功率约束下，相比无PIM的传统系统，和速率增益超过40%。
• 基于MM的方法性能几乎与全局优化基准无异，仅在和频谱效率上存在微小差距。
• 随着PIM单元数量的增加，系统频谱效率提升，但增益随单元数增多而趋于饱和。
• 由于每轮迭代采用简单闭式更新，基于MM的相位偏移优化仅需几十轮迭代即可收敛，即使在大规模PIM系统（如N=64）中亦然。
• 该算法通过在每轮迭代中检查功率约束，保持可行性；当无可行解存在时，能优雅降级。
• 该方法具有能效优势，因为PIM无需主动功耗，使其成为对频谱与能效要求极高的绿色无线网络的理想选择。