[論文レビュー] Analysis and Optimization for RIS-Aided Multi-Pair Communications Relying on Statistical CSI

Zhangjie Peng, Tianshu Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、統計的チャネル状態情報（CSI）を用いた再構成可能知能表面（RIS）支援マルチペア通信における遺伝的アルゴリズム（GA）ベースの最適化フレームワークを提案する。近似的な達成可能レート式を導出し、連続位相シフトと比較して、RIS素子あたり3ビットの量子化でほぼ最適な性能が達成されることを示した。また、GA法は合計レート性能においてグローバル最適解に非常に近い結果を達成した。

ABSTRACT

In this paper, we investigate a reconfigurable intelligent surface (RIS) aided multi-pair communication system, in which multi-pair users exchange information via an RIS. We derive an approximate expression of the achievable rate by assuming that statistical channel state information (CSI) is available. A genetic algorithm (GA) to solve the rate maximization problem is proposed as well. In particular, we consider implementations of RISs with continuous phase shifts (CPSs) and discrete phase shifts (DPSs). Simulation results verify the correctness of the obtained results and show that the proposed GA method has almost the same performance as the globally optimal solution. In addition, numerical results show that three quantization bits can achieve a large portion of the sum achievable rate for the CPSs setup.

研究の動機と目的

• 視線路が遮断された環境における低レート・高複雑性なマルチペア通信の課題に対処すること。
• インstantaneous CSIよりも実用的な統計的CSI下でのRIS支援システムにおける位相シフト最適化手法の開発。
• 達成可能合計レートという観点から、連続位相シフト（CPSs）と離散位相シフト（DPSs）の間の性能トレードオフを評価すること。
• DPSsにおいて、ほぼ最適な性能を達成するために必要な最小量子化ビット数に関する工学的知見を提供すること。

提案手法

• Ricianフェージングチャネル下での統計的CSIを用いて、達成可能合計レートの近似的な閉形式式を導出する。
• 連続位相シフト（CPSs）および離散位相シフト（DPSs）の両構成におけるRIS素子の位相シフト最適化のため、遺伝的アルゴリズム（GA）を提案する。
• K組のユーザペアを想定し、各ペアがL個の反射素子を持つRISを介して通信するRIS支援マルチペアシステムをモデル化。両リンクにRicianフェージングを適用する。
• 集団サイズ100、50世代、交差確率0.5、突然変異確率0.1、収束閾値$10^{-6}$を設定したGAを実装する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析的レート式の妥当性を検証し、ランダム位相シフトおよび全探索法と比較してGAの性能を評価する。
• 特にB=3に注目して、量子化ビット数（B）が合計レート性能に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統計的CSIしか利用できない状況下で、RIS支援マルチペア通信システムの達成可能レート性能はどの程度か？
• RQ2 遺伝的アルゴリズムベースの位相シフト最適化の合計レート性能は、グローバル最適解と比べてどの程度か？
• RQ3 連続位相シフトの性能の大部分を達成するために、RIS素子あたりの最小量子化ビット数はどれくらいか？
• RQ4 Rician係数が合計レート性能および最適化済みとランダム位相シフトの間の性能ギャップに与える影響は何か？

主な発見

• 導出された達成可能合計レートの解析的式は、モンテカルロシミュレーション結果と強く一致しており、理論的枠組みの妥当性が裏付けられた。
• 提案されたGAベースの最適化は、全探索で得られるグローバル最適解とほぼ同一の合計レート性能を達成しており、特に低SNRおよび中程度のRician係数下で顕著である。
• RIS素子あたり3ビットの量子化で、連続位相シフトの合計レート性能のおよそ95％を達成でき、ハードウェアの複雑性を低く抑えつつ高いスペクトル効率を実現した。
• 合計レートは、RIS素子数Lおよび信号対雑音比（SNR）の増加に伴い上昇するが、これは予想通りであり、特に高SNRで顕著な性能向上が観察された。
• Rician係数が上昇するにつれて、GA最適化とランダム位相シフトの間の性能ギャップは固定値に収束し、視線路（LOS）支配が最適化の恩恵を減少させることを示している。