[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Design for MIMO System by Maximizing Sum-Path-Gains.

Boyu Ning, Zhi Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种智能反射面（IRS）辅助的MIMO系统，通过联合优化发射端的主动波束成形和IRS上的被动相位移，以最大化频谱效率。该研究引入了最大化总增益（MSG）原则，以简化难以处理的混合整数非凸问题，通过ADMM求解，并利用SVD和水填水功率分配波束成形实现高频频谱效率。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) serves as an emerging paradigm to enhance the wireless transmission with a low hardware cost and a reduced power consumption. In this letter, we investigate the IRS-assisted downlink multi-input multi-output (MIMO) system, where an Alice-Bob pair wishes to communicate with the assist of IRS. Our goal is to maximize the spectral efficiency by designing the active beamformer at Alice and the passive reflecting phase shifters (PSs) at the IRS, which turns out to be an intractable mixed integer non-convex optimization problem. To tackle this problem, we propose an efficient algorithm to obtain an effective solution. Specifically, the PSs at the IRS are optimized to maximize the sum of gains of different paths. Such a criterion is also referred to as the maximizing the sum of gains (MSG) principle. Then, an alternating direction method of multipliers (ADMM) algorithm is developed to solve the MSG-based optimization problem. With the obtained PSs, the beamformer at Alice is obtained by classic singular value decomposition (SVD) and water-filling (WF) solutions.

研究动机与目标

• 在低硬件成本和低能耗的前提下，提升IRS辅助下行链路MIMO系统的频谱效率。
• 解决由联合主动波束成形与被动相位移设计引起的难以处理的混合整数非凸优化问题。
• 开发一种高效算法，将联合优化问题解耦为可处理的子问题。
• 通过最大化所有多径分量的路径增益总和，提升系统频谱效率。

提出的方法

• 提出最大化总增益（MSG）原则，通过最大化所有传播路径上的总功率增益，优化IRS上的被动相位移。
• 应用交替方向乘子法（ADMM）高效求解基于MSG的优化问题。
• 在确定相位移后，利用奇异值分解（SVD）计算发射端的最优主动波束成形器。
• 对波束成形信号应用水填水（WF）功率分配，进一步提升频谱效率。
• 将联合优化问题解耦为两个顺序步骤：相位移优化后接波束成形器设计。
• 采用凸松弛与迭代精炼策略，处理相位移变量的非凸性与整数约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化IRS辅助MIMO系统中主动波束成形与被动相位移的联合设计，以最大化频谱效率？
• RQ2 在IRS波束成形中，是否存在一种有效的启发式准则，可简化难以处理的混合整数非凸优化问题？
• RQ3 ADMM算法能否在收敛性保证的前提下，有效求解基于MSG的相位移优化问题？
• RQ4 所提出的基于MSG的方法在频谱效率方面，相较于无IRS的传统波束成形或固定相位移方案，表现如何？

主要发现

• MSG原则通过聚焦于最大化路径增益总和，有效将难以处理的联合优化问题转化为可处理问题。
• 基于ADMM的算法收敛迅速，为相位移优化问题提供了高质量解。
• 在相位移优化后，结合SVD与水填水波束成形，可实现接近最优的频谱效率。
• 仿真结果表明，所提方法在频谱效率方面显著优于无IRS的传统波束成形或固定相位移方案。