[论文解读] Sum Rate Maximization for Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Device-to-Device Communications

Yashuai Cao, Tiejun Lv|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 13

一句话总结

该论文通过可重构智能表面（RIS）联合优化功率控制、接收波束成形和被动波束成形，以最大化设备到设备（D2D）同带蜂窝网络中的和速率。采用块坐标下降算法，对功率和波束成形采用闭式解，对RIS相移采用基于二次变换的半定松弛方法，该方案在RIS元素更多、发射功率更高的情况下实现了显著的和速率增益。

ABSTRACT

In this letter, we propose to employ reconfigurable intelligent surfaces (RISs) for enhancing the D2D underlaying system performance. We study the joint power control, receive beamforming, and passive beamforming for RIS assisted D2D underlaying cellular communication systems, which is formulated as a sum rate maximization problem. To address this issue, we develop a block coordinate descent method where uplink power, receive beamformer and refection phase shifts are alternatively optimized. Then, we provide the closed-form solutions for both uplink power and receive beamformer. We further propose a quadratic transform based semi-definite relaxation algorithm to optimize the RIS phase shifts, where the original passive beamforming problem is translated into a separable quadratically constrained quadratic problem. Numerical results demonstrate that the proposed RIS assisted design significantly improves the sum-rate performance.

研究动机与目标

• 通过集成可重构智能表面（RIS）以控制传播环境，提升D2D同带蜂窝网络中的频谱效率。
• 解决RIS辅助D2D系统中D2D用户与蜂窝用户共用同一频谱时的复杂干扰管理问题。
• 联合优化上行链路功率分配、基站接收波束成形以及RIS处的被动波束成形（相移），以最大化系统和速率。
• 设计一种可处理RIS被动波束成形与干扰约束引起的非凸耦合优化问题的可 tractable 算法。
• 评估在满足最小SINR要求的前提下，RIS在功率和相移约束下的和速率增益。

提出的方法

• 在SINR和功率约束下，建立联合优化发射功率、接收波束成形向量和RIS相移的和速率最大化问题（P1）。
• 采用块坐标下降（BCD）方法，交替优化三个变量：上行链路功率、接收波束成形器和RIS相移。
• 在固定相移条件下，利用凸优化技术推导出上行链路功率和接收波束成形器的闭式解。
• 通过二次变换将非凸的RIS相移优化问题转化为可分离的二次约束二次规划（QCQP）。
• 采用半定松弛（SDR）求解QCQP，并恢复最优相移矩阵。
• 在整个优化过程中确保接收波束成形的单位范数和相移约束（θₙ ∈ [0, 2π)）得到满足。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在同频干扰的D2D同带蜂窝网络中，RIS辅助的被动波束成形如何提升和速率？
• RQ2 在SINR和功率约束下，如何实现功率控制、接收波束成形和RIS相移的最优联合设计以最大化系统和速率？
• RQ3 RIS反射元件的数量如何影响和速率性能和干扰抑制能力？
• RQ4 发射功率和RIS位置对所提系统可实现和速率的影响是什么？
• RQ5 能否为功率、波束成形和RIS相移的联合优化推导出闭式解和高效算法？

主要发现

• 所提出的RIS辅助系统相比非RIS方案显著提升了和速率，且随着RIS元件数量的增加，性能增益进一步提升。
• 在8个RIS元件和10 dBW发射功率条件下，所提算法的和速率高于基准方案，证明了RIS在干扰管理中的有效性。
• 和速率增益随发射功率（Pₘ/σ_B²）的提高而增加，证实了在功率受限条件下RIS可增强频谱效率。
• BCD算法收敛迅速，功率和波束成形的闭式解显著降低了计算复杂度。
• 基于二次变换的半定松弛方法能有效近似最优RIS相移，支持实际应用。
• 数值结果确认，最优功率分配位于可行功率区域的边界上，支持关于单调性和凸性的理论分析。