[论文解读] Fairness-Oriented Multiple RISs-Aided MmWave Transmission: Stochastic Optimization Methods

Gui Zhou, Cunhua Pan+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 44被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种面向公平性的鲁棒波束成形设计，用于在随机阻塞环境下采用随机优化的多智能反射面（RIS）辅助毫米波（mmWave）系统。通过采用随机主导-最小化（SMM）和随机连续凸逼近（SSCA）方法，该方法最小化所有用户中的最大中断概率，实现对原始非凸随机问题的驻点收敛，并在高阻塞概率下相比基准方案显著提升了系统可靠性。

ABSTRACT

In millimeter wave (mmWave) systems, it is challenging to ensure the reliable connectivity of communications due to its sensitivity to the presence of blockages. In order to improve the robustness of the mmWave system under the presence of the random blockages, multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are deployed to enhance the spatial diversity gain, and robust beamforming is then designed based on a stochastic optimization for minimizing the maximum outage probability among multiple users to ensure the fairness. Under the stochastic optimization framework, we adopt the stochastic majorization--minimization (SMM) method and the stochastic successive convex approximation (SSCA) method to construct deterministic surrogate problems at each iteration for new channel realizations, and obtain the closed-form solutions of the precoding matrix at the base station (BS) and the passive beamforming vectors at the RISs. Both stochastic optimization methods have been proved to converge to the set of stationary points of the original stochastic problems. Finally, simulation results show that the proposed robust beamforming in the RIS-aided system can effectively compensate for the performance loss caused by the presence of the random blockages, especially at high blockage probability, compared with the benchmark solutions.

研究动机与目标

• 为解决由于对移动障碍物和人体阻塞等随机阻塞高度敏感而导致的mmWave通信不可靠问题。
• 通过部署多个可重构智能表面（RISs）以利用空间分集增益，提升系统鲁棒性与公平性。
• 设计一种鲁棒波束成形策略，在由随机阻塞引起的信道不确定性下，最小化所有用户中的最大中断概率。
• 开发高效的随机优化算法，收敛于原始非凸、随机问题的驻点。

提出的方法

• 构建一个随机优化问题，以最小化在存在随机阻塞的RIS辅助mmWave系统中所有用户的最大中断概率。
• 应用随机主导-最小化（SMM）方法，在每次迭代中基于新的信道实现构建确定性代理问题。
• 采用随机连续凸逼近（SSCA）方法，迭代求解代理问题，并为基站（BS）预编码和RIS无源波束成形提供闭式解。
• 利用包含阻塞概率模型的信道状态信息（CSI）来表示不确定性，实现在动态和自阻塞条件下的鲁棒设计。
• 通过证明SMM和SSCA方法均收敛于原始随机问题的驻点，提供收敛性保证。
• 将统计阻塞模型（包括距离相关和基于机器学习的阻塞概率估计）集成到波束成形设计框架中。

实验结果

研究问题

• RQ1 当用户因随机阻塞导致中断水平不同时，如何在RIS辅助的mmWave系统中确保公平性？
• RQ2 何种随机优化框架能有效最小化在动态和自阻塞引起的信道不确定性下多个用户的最大中断概率？
• RQ3 SMM和SSCA方法能否有效应用于求解RIS辅助mmWave系统中具有保证收敛性的非凸、随机波束成形问题？
• RQ4 在高阻塞概率下，所提出的鲁棒波束成形设计与基准方案相比性能如何？
• RQ5 部署多个RIS对mmWave网络中随机阻塞环境下的空间分集增益和系统可靠性有何影响？

主要发现

• 所提出的鲁棒波束成形设计显著补偿了随机阻塞引起的性能损失，尤其在阻塞概率较高时效果明显。
• SMM和SSCA方法均收敛于原始随机优化问题的驻点，确保了算法性能的可靠性。
• 基站预编码和RIS无源波束成形的闭式解使得低复杂度实现成为可能，同时保持了高鲁棒性。
• 仿真结果表明，所提方法在最小化所有用户最大中断概率方面优于基准方案。
• 多RIS的使用增强了空间分集增益，提高了系统可靠性，特别是在频繁发生动态阻塞的环境中。
• 该方法无需枚举所有阻塞模式即可有效处理随机阻塞带来的信道不确定性，降低了计算复杂度。