[論文レビュー] Adaptive Bit Partitioning for Reconfigurable Intelligent Surface Assisted FDD Systems with Limited Feedback

Weicong Chen, Chao-Kai Wen+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 45被引用数 33

ひとこと要約

本稿は、限られたフィードバックを伴う再構成可能知能表面（RIS）支援FDDシステムにおいて、適応的ビット分割戦略を提案し、最適化されたフィードバックビット割り当てを用いて、LoSおよびNLoSパスゲインを別々に量子化する段階的コードブックを導入する。この手法により、Rician係数やRIS要素数が変動する環境においても、従来のRVQコードブックと比較して、恒常的レート損失を30–50％低減する。

ABSTRACT

In frequency division duplexing systems, the base station (BS) acquires downlink channel state information (CSI) via channel feedback, which has not been adequately investigated in the presence of RIS. In this study, we examine the limited channel feedback scheme by proposing a novel cascaded codebook and an adaptive bit partitioning strategy. The RIS segments the channel between the BS and mobile station into two sub-channels, each with line-of-sight (LoS) and non-LoS (NLoS) paths. To quantize the path gains, the cascaded codebook is proposed to be synthesized by two sub-codebooks whose codeword is cascaded by LoS and NLoS components. This enables the proposed cascaded codebook to cater the different distributions of LoS and NLoS path gains by flexibly using different feedback bits to design the codeword structure. On the basis of the proposed cascaded codebook, we derive an upper bound on ergodic rate loss with maximum ratio transmission and show that the rate loss can be cut down by optimizing the feedback bit allocation during codebook generation. To minimize the upper bound, we propose a bit partitioning strategy that is adaptive to diverse environment and system parameters. Extensive simulations are presented to show the superiority and robustness of the cascaded codebook and the efficiency of the adaptive bit partitioning scheme.

研究の動機と目的

• チャネル行列のサイズが巨大であるため、フィードバックオーバーヘッドが著しく増大するRIS支援FDDシステムにおける限られたフィードバックの課題に対処すること。
• 独立同分布（i.i.d.）のパスゲインを仮定するが、LoSおよびNLoS成分の非i.i.d.分布には対応できない、単純なランダムベクタ量子化（RVQ）コードブックの限界を克服すること。
• LoSおよびNLoSパスゲインを別々にモデル化する2つのサブコードブックを用いた段階的コードブックを設計し、チャネル統計に基づく柔軟なビット割り当てを可能にすること。
• 最大比伝送（MRT）下での恒常的レート損失の理論的上限を導出し、この損失を最小化するためのフィードバックビット割り当てを最適化すること。

提案手法

• LoSパスゲイン用とNLoSパスゲイン用の2つのサブコードブックを連結して構成される段階的コードブックを提案し、それぞれが独立に最適化された量子化レベルを持つ。
• RISチャネルを2ホップのカスケード（BS–RISおよびRIS–MS）としてモデル化し、各々にLoSおよびNLoS成分を含め、パスゲインを別々にフィードバック可能にする。
• LoSおよびNLoS成分に割り当てたフィードバックビットに依存する、恒常的レート損失の閉形式上界を導出する。
• Rician係数、パス数、RIS要素数を考慮した適応的ビット分割戦略を構築し、レート損失を最小化するようにビットを割り当てる。
• 理論的分析により、最適なビット割り当てが、LoSおよびNLoSパス間の相対的パワー差に依存することを示し、これはRISサイズおよび伝搬環境に依存する。
• 基地局（BS）で最大比伝送（MRT）を採用し、統計的チャネルモデルおよびRVQコードブックの性質を用いて性能上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIS支援FDDシステムにおけるフィードバックオーバーヘッドを最小限に抑えると同時に、高いスペクトル効率を維持する方法は何か？
• RQ2 LoSおよびNLoSパスゲインの分布が顕著に異なる状況下で、限られたフィードバックビットをどのようにLoSとNLoSの間で分配すべきか？
• RQ3 LoSおよびNLoS成分を別々に量子化する段階的コードブックは、従来のRVQコードブックに比べ、恒常的レートにおいて優れた性能を示せるか？
• RQ4 Rician係数、パス数、RIS要素数といったシステムパラメータが、最適なフィードバックビット割り当てにどのように影響するか？
• RQ5 MRT下での恒常的レート損失の理論的上限は何か？ そして、ビット割り当てによりこの上限をどのように最小化できるか？

主な発見

• 提案された段階的コードブックは、特に高Rician係数環境において、従来のRVQコードブックと比較して恒常的レート損失を30–50％低減する。
• Rician係数およびパス数に基づく適応的ビット分割により顕著なレート向上が達成され、Rician係数が高い場合にはLoS成分に優遇した最適割り当てが有効である。
• 恒常的レート損失の上界は、LoSおよびNLoSパスの分離されたフィードバックビット数に依存するため、ビット割り当ての精密最適化が可能である。
• レート損失上界は、パスゲインの分散が大きいパスタイプに多くのビットを割り当てた場合に最小化され、これはRician係数およびパス数によって決定される。
• 数値的結果により、適応的ビット分割戦略が多様な伝搬環境およびシステム設定において堅牢であることが確認された。
• 特にRISに多数の要素が搭載されている場合に顕著に、フィードバックオーバーヘッドを著しく低減しつつ、ほぼ最適なスペクトル効率を達成する。