[論文レビュー] Energy-Efficient Wireless Communications with Distributed Reconfigurable Intelligent Surfaces

Zhaohui Yang, Mingzhe Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 41被引用数 58

ひとこと要約

本論文は、分散 RIS に跨る送信ビームフォーミング、RIS位相シフト、および RIS のオン/オフ状態の共同最適化を行い、単一ユーザーおよびマルチユーザーシナリオでエネルギー効率を最大化する。SCAとデュアル/グリーディ法を用いる。

ABSTRACT

This paper investigates the problem of resource allocation for a wireless communication network with distributed reconfigurable intelligent surfaces (RISs). In this network, multiple RISs are spatially distributed to serve wireless users and the energy efficiency of the network is maximized by dynamically controlling the on-off status of each RIS as well as optimizing the reflection coefficients matrix of the RISs. This problem is posed as a joint optimization problem of transmit beamforming and RIS control, whose goal is to maximize the energy efficiency under minimum rate constraints of the users. To solve this problem, two iterative algorithms are proposed for the single-user case and multi-user case. For the single-user case, the phase optimization problem is solved by using a successive convex approximation method, which admits a closed-form solution at each step. Moreover, the optimal RIS on-off status is obtained by using the dual method. For the multi-user case, a low-complexity greedy searching method is proposed to solve the RIS on-off optimization problem. Simulation results show that the proposed scheme achieves up to 33\% and 68\% gains in terms of the energy efficiency in both single-user and multi-user cases compared to the conventional RIS scheme and amplify-and-forward relay scheme, respectively.

研究の動機と目的

• 分散 RIS を備えた次世代無線ネットワークのエネルギー効率設計を動機づける。
• ユーザーの最小レート制約と電力上限の下でエネルギー効率を最大化する。
• 性能とエネルギーコストのバランスを取るために、RISのオンオフ状態と位相シフトを動的に制御する。
• 単一ユーザーおよびマルチユーザーケースに対してスケーラブルなアルゴリズムを開発する。

提案手法

• 1 台のBS、複数の分散 RIS、複数のユーザーを含むダウンリンク MISO 系をモデル化する。
• 実際の電力消費を捉えるために、二値 RIS オンオフ変数および単位モジュラスの RIS 位相シフト行列を導入する。
• EE を最大化する結合最適化問題を定式化する： rate (R_t) / power (P_t) の比で、レートおよび電力制約を含む (MINLP)。
• K=1 の場合、交互ステップで解く： (i) 位相/電力の結合最適化を SCA で解き、位相は閉形式の更新、電力は閉形式で求める；(ii) RIS のオンオフはデュアル法で解く。
• K>1 の場合、低複雑度のグリーディオンオフ探索と、位相/ビームフォーミングには SCA、オンオフにはデュアルベースのアプローチを組み合わせた反復解を提案する。
• 単一ユーザーの電力に対する閉形式の EE 解を提供し、多ユーザーの RIS オンオフ問題には緩和-to-整数へのデュアルベース手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散 RIS を有するネットワークで、各ユーザーのレート制約の下にエネルギー効率をいかに最大化できるか。
• RQ2 RIS のオンオフ切替が EE に与える影響はどのようで、どの RIS を有効化すべきかを最適に選択するにはどうするか？
• RQ3 位相シフト最適化とビームフォーミングが RIS の活性化とどのように相互作用して、単一ユーザーとマルチユーザーのシナリオで性能を最大化するか？

主な発見

• 提案された方式は、単一ユーザーの場合に従来の RIS 方式より最大で 33% の EE 増加を達成する。
• マルチユーザーの場合、アンプを用いたフォワードリレーより最大 68% の EE 増加。
• SCA は、単一ユーザーアルゴリズムの下で収束が証明された局所最適な位相解を提供。
• 単一ユーザー EE 最適化のための閉形式の最適送信電力を導出。
• マルチユーザーでは、低複雑度のグリーディオンオフ法と緩和された整数制約を持つデュアル法が RIS の活性化を決定し、EE を維持。
• 数値結果は、ベースラインと比較して分散 RIS のエネルギー効率向上の有効性を検証する。