[論文レビュー] Beyond Cell-free MIMO: Energy Efficient Reconfigurable Intelligent Surface Aided Cell-free MIMO Communications

Yutong Zhang, Boya Di+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 33被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、低コストな信号反射とビームフォーミングを可能にするRISを活用することで、エネルギー効率を向上させる再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）支援型セルフリースMIMOシステムを提案する。基地局でのデジタルビームフォーミングとRISベースのアナログビームフォーミングを組み合わせることで、反復的アルゴリズムを用いてエネルギー効率を最大化する。最適な性能はRISの数とサイズに強く依存しており、従来のセルフリースシステムに比べ顕著な向上が得られることを示している。

ABSTRACT

Cell-free systems can effectively eliminate the inter-cell interference by enabling multiple base stations (BSs) to cooperatively serve users without cell boundaries at the expense of high costs of hardware and power sources due to the large-scale deployment of BSs. To tackle this issue, the low-cost reconfigurable intelligent surface (RIS) can serve as a promising technique to improve the energy efficiency of cell-free systems. In this paper, we consider an RIS aided cell-free MIMO system where multiple RISs are deployed around BSs and users to create favorable propagation conditions via reconfigurable reflections in a low-cost way, thereby enhancing cell-free MIMO communications. To maximize the energy efficiency, a hybrid beamforming (HBF) scheme consisting of the digital beamforming at BSs and the RIS-based analog beamforming is proposed. The energy efficiency maximization problem is formulated and an iterative algorithm is designed to solve this problem. The impact of the transmit power, the number of RIS, and the RIS size on energy efficiency are investigated. Both theoretical analysis and simulation results reveal that the optimal energy efficiency depends on the numbers of RISs and the RIS size. Numerical evaluations also show that the proposed system can achieve a higher energy efficiency than conventional ones.

研究の動機と目的

• 密集した基地局の導入に起因する従来のセルフリースMIMOシステムの高エネルギー消費を是正すること。
• セルフリースMIMOアーキテクチャに低コストの再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）を統合することでエネルギー効率を向上させること。
• エネルギー効率の最大化を目的に、基地局でのデジタルビームフォーミングとRISでの位相シフトを共同最適化すること。
• RISの数、サイズ、送信電力がシステムのエネルギー効率に与える影響を分析すること。

提案手法

• 基地局でのデジタルビームフォーミングとRISベースのアナログビームフォーミングを組み合わせたハイブリッドビームフォーミング（HBF）アーキテクチャを提案する。
• 再構成可能な反射を介して有利な伝搬状態を実現するため、基地局およびユーザーの周囲に複数のRISを配置するモデルを構築する。
• 送信電力、RISの設定、ハードウェア制約を含むエネルギー効率最大化問題を定式化する。
• 実用的なハードウェアおよび電力制約下で、デジタルビームフォーマーとRIS位相シフトを共同最適化する反復的アルゴリズムを設計する。
• 統計的チャネルモデルと近似を用いて、合計スループットおよびエネルギー効率の扱いやすい表現を導出する。
• ジェンセンの不等式と漸近的解析を適用し、エネルギー効率の微分における重要な項が負であることを証明することで収束解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のRISの統合は、セルフリースMIMOシステムのエネルギー効率にどのように影響するか？
• RQ2 セルフリースMIMO構成において、エネルギー効率を最大化するための最適なRIS数とRISサイズは何か？
• RQ3 提案されたハイブリッドビームフォーミング方式は、従来のセルフリースMIMOと比較してエネルギー効率面でどのように異なるか？
• RQ4 送信電力およびRISハードウェアパrameterがシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• 最適なエネルギー効率は、RISの数と各RISのサイズの両方に対して非常に敏感であり、非単調な関係を示す。
• RISサイズが小さい場合、RISサイズの増加に伴いエネルギー効率は向上するが、最終的にはRISハードウェアの消費電力増加により低下する。
• 特にRISと基地局の電力比が有利な場合、従来のセルフリースMIMOよりも高いエネルギー効率を達成する。
• 理論的解析により、$\mathcal{P}_s / (M \cdot P_R) > \ln(NP_T / (k\sigma^2))$ の条件下で、小さなRISサイズではエネルギー効率の微分が正であることが確認され、飽和に至るまでの効率向上が示唆される。
• 数値結果により、提案アルゴリズムが収束し、ベースライン手法と比較して顕著にエネルギー効率が向上することが検証された。