[论文解读] Robust Beamforming Design for Intelligent Reflecting Surface Aided MISO Communication Systems

Gui Zhou, Cunhua Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 14

一句话总结

本文提出了一种针对智能反射面（IRS）辅助多用户MISO系统在信道状态信息（CSI）不完美条件下的最坏情况鲁棒波束成形设计，采用近似法与凸-凹规划（CCP）技术处理非凸性及单位模反射约束。该方法确保在信道不确定性下所有用户均满足服务质量（QoS）要求，数值结果验证了其鲁棒性能与无中断运行的保障。

ABSTRACT

Perfect channel state information (CSI) is challenging to obtain due to the limited signal processing capability at the intelligent reflection surface (IRS). In this paper, we study the worst-case robust beamforming design for an IRS-aided multiuser multiple-input single-output (MU-MISO) system under the assumption of imperfect CSI. We aim for minimizing the transmit power while ensuring that the achievable rate of each user meets the quality of service (QoS) requirement for all possible channel error realizations. With unit-modulus and rate constraints, this problem is non-convex. The imperfect CSI further increases the difficulty of solving this problem. By using approximation and transformation techniques, we convert this problem into a squence of semidefinite programming (SDP) subproblems that can be efficiently solved. Numerical results show that the proposed robust beamforming design can guarantee the required QoS targets for all the users.

研究动机与目标

• 为解决IRS辅助多用户MISO系统中反射信道CSI不完美带来的挑战，特别是该信道难以准确估计的问题。
• 在所有可能的信道误差实现下，最小化基站发射功率，同时保证每个用户的QoS。
• 在可处理的优化框架中处理由单位模反射约束和CSI不确定性引入的非凸性。
• 开发一种迭代算法，将原始非凸问题转化为一系列凸半定规划（SDP）问题。
• 通过在实际系统参数下的数值评估，验证所提设计的鲁棒性与效率。

提出的方法

• 使用一阶泰勒展开对信道不确定性下的非凸速率表达式进行近似线性化。
• 通过S-lemma将所得的半无限约束转化为线性矩阵不等式（LMI），实现凸松弛。
• 应用带惩罚的连续凸逼近（SCA）框架，具体为凸-凹规划（CCP）方法，以处理IRS反射系数上的非凸单位模约束。
• 将原始问题重述为一系列可利用标准凸优化工具高效求解的凸半定规划（SDP）问题。
• 采用一种迭代算法，在每次迭代中联合优化预编码器与反射波束成形，并使用更新后的近似值。
• 采用椭球体不确定性模型表示反射信道的CSI误差，以确保最坏情况下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当反射信道CSI不完美时，如何在IRS辅助MISO系统中设计鲁棒波束成形？
• RQ2 信道估计误差对用户速率中断有何影响，如何在波束成形设计中加以缓解？
• RQ3 在单位模约束与CSI不确定性条件下，能否有效求解主动预编码与被动反射波束成形的联合非凸优化问题？
• RQ4 与非鲁棒设计及中继方案相比，所提出的鲁棒设计在性能与能效方面表现如何？
• RQ5 在何种条件下，IRS在频谱效率与能量效率方面优于传统非IRS系统与中继辅助系统？

主要发现

• 所提出的鲁棒波束成形设计确保所有用户在所有可能的信道误差实现下均满足其目标QoS速率，实现零中断概率。
• 发射功率随信道不确定性（δ）增加而上升，但仍显著低于非IRS基准方案，证明了IRS部署的高效性。
• 由于被动IRS元件的电路功耗较低，IRS辅助系统的能量效率（EE）高于中继方案。
• 只有当反射效率（ι）较高（≈1）且CSI不确定性（δ）较低（δ < 0.03）时，IRS才能在性能上优于非IRS与中继系统。
• 非鲁棒IRS设计表现出较高的中断概率，尤其在高目标速率或大不确定性水平下，证实了鲁棒设计的必要性。
• 所提算法收敛稳定，性能接近最优，且鲁棒设计所得最优预编码器可作为进一步优化的良好初始值。