[論文レビュー] Energy Efficiency Maximization of Simultaneous Transmission and Reflection RIS Assisted Full-Duplex Communications

Pengxin Guan, Yiru Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、同時送信および反射再構成可能インテリジェントサーフェス（STAR-RIS）を支援するフルデュプレックス（FD）通信システムにおけるエネルギー効率（EE）最大化フレームワークを提案する。逐次的最適化、Dinkelbach法、および逐次凸近似を用いて、基地局および上行リンクユーザーの送信電力とSTAR-RISの受動ビームフォーミングを共同最適化することで、特にRIS素子数が多く、自己干渉キャンセレーションが効果的である状況下で、ベンチマークと比較して優れたEE性能を達成する。

ABSTRACT

This work studies the effectiveness of a novel simultaneous transmission and reflection reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) aided Full-Duplex (FD) communication system. We aim to maximize the energy efficiency by jointly optimizing the transmit power and passive beamforming at the STAR-RIS. We propose an efficient algorithm to optimize them iteratively under the alternating optimization framework. The successive convex approximation (SCA) and Dinkelbach's method are used to solve the power optimization subproblem. The penalty-based method is used to design passive beamforming at the STAR-RIS. Numerical results verify the convergence and effectiveness of the proposed algorithm, and further reveal the benifits of the combining of the STAR-RIS and FD communication compared to benchmarks.

研究の動機と目的

• STAR-RIS支援フルデュプレックスシステムにおけるエネルギー効率に関する研究の不足に応える。
• STAR-RISを用いたFD通信における送信電力とビームフォーミングの共同最適化問題の非凸性を克服する。
• 上行リンクおよび下行リンクユーザーの最小レート制約を満たしつつ、システムのエネルギー効率を最大化する。
• 実用的導入に適した低複雑度で収束性を有するアルゴリズムを設計する。このアルゴリズムはDinkelbach法と逐次凸近似を組み合わせる。
• STAR-RISとFD技術の組み合わせがスペクトル効率およびエネルギー効率をどのように向上させるかを実証する。

提案手法

• 非凸なEE最大化問題を、送信電力最適化と受動ビームフォーミング設計の2つの部分問題に分解する。
• 交互最適化（AO）フレームワークを用いて、2つの部分問題を繰り返し反復的に解く。
• 分数プログラミングをパrametricな部分問題の系列に変換することで、Dinkelbach法を用いて送信電力最適化部分問題を解く。
• 罰則に基づく手法と逐次凸近似（SCA）を組み合わせて、非凸なビームフォーミング制約を処理し、局所最適解に収束させる。
• すべてのmについてβₘᵗ + βₘʳ = 1を満たす制約により、各STAR-RIS素子におけるエネルギー保存を確保する。
• 反復的最適化によるEEの単調増加と、制限されたシステムリソースを活用することで収束性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STAR-RISとフルデュプレックス通信の統合は、従来のハーフデュプレックスまたはRISオンリーシステムと比較して、システムのエネルギー効率をどのように向上させるか？
• RQ2 STAR-RIS支援FDシステムにおけるエネルギー効率を最大化するための最適な送信電力と受動ビームフォーミングの共同設計は何か？
• RQ3 残存自己干渉とSTAR-RIS素子における回路消費電力は、達成可能なエネルギー効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 提案された最適化フレームワーク下で、RIS素子数を増加させることで、システムのEEはどの程度向上するか？
• RQ5 HD、従来のRIS、および総スルーレート最大化方式と比較して、提案されたアルゴリズムの性能と収束性はいかがなっているか？

主な発見

• 提案されたSTAR-RIS支援FDシステム（SR-FD-EEM）は、全テストシナリオにおいて最高のエネルギー効率を達成し、HDおよび従来のRISベースのFD方式を上回る性能を示す。
• STAR-RIS素子数の増加に伴い、エネルギー効率が向上する。これは、スペクトル効率の向上に起因し、電力消費の増加はわずかである。SR-FD-EEMは、最も急激な上昇を示す。
• 残存自己干渉はFDシステムのEEを低下させるが、本手法では効果的な自己干渉キャンセレーションにより、EEが高く維持される。一方、HD方式は自己干渉に影響されないため、この点で差が生じる。
• 総スルーレート最大化方式（SR-FD-SRM）では、上行リンク電力の増加に伴いEEは一時的に上昇するが、過剰なエネルギー消費により最終的に低下する。一方、EE最大化方式は、最適点に至るまで単調に上昇する。
• STAR-RIS素子あたりの回路消費電力（Pₛ）が高くなると、システムのEEは低下するが、SR-FD-EEMはPₛが高くなる状況でも、ベンチマークと比較して顕著な性能向上を示す。
• 提案されたAOベースのアルゴリズムは信頼性高く収束し、計算複雑度はO(L(2Lₚ + 2LₒLᵢM³·⁵))のオーダーに抑えられ、大規模な展開において実用的であることが保証される。