[論文レビュー] Degree-of-Freedom of Modulating Information in the Phases of Reconfigurable Intelligent Surface

Hei Victor Cheng, Wei Yu|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、再構成可能知能表面（RIS）がその調整可能な位相シフトを通じて情報を変調する場合の、再構成可能知能表面（RIS）支援通信における自由度（DoF）の増幅を調査する。RISを単なる受動的ビームフォーマではなく、能動的な情報変調器として扱うことで、著者らは送信機とRISの共同送信が、$ min(M + \frac{N}{2} - \frac{1}{2}, N, K)$のDoFを達成できることを示し、従来のMIMOのDoFである$ min(M, K)$を著しく上回ることを明らかにした。

ABSTRACT

This paper investigates the information theoretic limit of a reconfigurable intelligent surface (RIS) aided communication scenario in which the RIS and the transmitter either jointly or independently send information to the receiver. The RIS is an emerging technology that uses a large number of passive reflective elements with adjustable phases to intelligently reflect the transmit signal to the intended receiver. While most previous studies of the RIS focus on its ability to beamform and to boost the received signal-to-noise ratio (SNR), this paper shows that if the information data stream is also available at the RIS and can be modulated through the adjustable phases at the RIS, significant improvement in the {degree-of-freedom} (DoF) of the overall channel is possible. For example, for an RIS system in which the signals are reflected from a transmitter with $M$ antennas to a receiver with $K$ antennas through an RIS with $N$ reflective elements, assuming no direct path between the transmitter and the receiver, joint transmission of the transmitter and the RIS can achieve a DoF of $\min\left(M+\frac{N}{2}-\frac{1}{2},N,K ight)$ as compared to the DoF of $\min(M,K)$ for the conventional multiple-input multiple-output (MIMO) channel. This result is obtained by establishing a connection between the RIS system and the MIMO channel with phase noise and by using results for characterizing the information dimension under projection. The result is further extended to the case with a direct path between the transmitter and the receiver, and also to the multiple access scenario, in which the transmitter and the RIS send independent information. Finally, this paper proposes a symbol-level precoding approach for modulating data through the phases of the RIS, and provides numerical simulation results to verify the theoretical DoF results.

研究の動機と目的

• RISがその位相シフトを用いて能動的に情報を変調する場合の、RIS支援通信の情報理論的限界を調査すること。
• RISが送信機の信号強度を向上させるのではなく、送信機とRISが共同でデータを送信する場合の自由度（DoF）の増幅を定量化すること。
• 送信機と受信機の間に直接リンクが存在する状況へのDoF解析を拡張すること。
• 送信機とRISが独立したデータストリームを送信する多重アクセス状況におけるDoFを調査すること。
• RIS上で位相ベースの情報変調を実装可能な実用的戦略を提案・評価すること。

提案手法

• 著者らは、RIS支援チャネルと位相ノイズを有するMIMOチャネルとの数学的関連性を確立し、射影に基づく情報次元を分析する。
• RISを位相シフトによるデータ変調を行う共同送信機としてモデル化することで、RISを用いた点対点MIMOシステムのDoFを導出する。
• 情報次元理論と射影の性質を用いて、DoFの式$\min(M + \frac{N}{2} - \frac{1}{2}, N, K)$を導出する。
• 多重アクセス状況では、送信機とRISからの独立したデータ送信を想定し、受信機での共同デコードを前提としてDoFを分析する。
• 理論的DoFに近づけるために、送信ビームフォーミングとRISの位相シフトを共同最適化する符号レベルの予めコーディング手法を提案する。
• 非凸最適化問題を解くためにリーマン多様体勾配法を用い、RISの位相制約を維持するための再帰的写像と輸送写像を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISがその位相シフトを用いて能動的に情報を変調する場合、RIS支援MIMOシステムで達成可能な最大自由度（DoF）は何か？
• RQ2 RISと送信機が共同でデータを送信する場合、RIS支援システムのDoFは、従来のMIMOと比べてどのように異なるか？
• RQ3 送信機と受信機の間に直接リンクが存在する場合、RIS支援システムのDoFにどのような影響を与えるか？
• RQ4 送信機とRISが独立したデータストリームを送信する多重アクセス状況におけるDoFは何か？
• RQ5 実用的な符号レベルの予めコーディング手法は、RIS支援通信における理論的DoF限界に到達できるか？

主な発見

• 送信機とRISの共同送信により、$\min(M + \frac{N}{2} - \frac{1}{2}, N, K)$のDoFが達成され、従来のMIMOのDoFである$\min(M, K)$を著しく上回る。
• DoFの増幅は、RISが位相変調を用いて情報を伝える能力に起因し、システムの多重接続利得が実際に向上することを示している。
• 送信機と受信機の間に直接リンクが存在する場合でも、従来のMIMOよりもDoFが向上するが、その式はチャネル状態に依存する。
• 独立したデータストリームを送信する多重アクセス状況では、両源からの自由度の合計がRISの位相制約によって制限される。
• 数値結果により、提案された符号レベルの予めコーディング手法が理論的DoF限界に近づくことが確認され、情報理論的解析の妥当性が裏付けられた。
• 適切な再帰的写像と輸送写像を用いたリーマン多様体勾配法は、非凸最適化問題を効果的に解き、RISの位相シフトの卤門制約を保持するのに有効であった。