[論文レビュー] Hybrid Beamforming for Reconfigurable Intelligent Surface based Multi-user Communications: Achievable Rates with Limited Discrete Phase Shifts

Boya Di, Hongliang Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、再構成可能知能表面（RIS）を用いたマルチユーザー下行リンク通信におけるハイブリッドビームフォーミング方式を提案する。基地局は連続的デジタルビームフォーミングを採用し、RISは制限付きの離散位相シフトを適用する。適切にサイズが設定されたRISとわずかな離散位相シフトを用いることで、ユーザー間干渉を抑えるビームフォーミングと信号指向性の向上を最適化することにより、高い合計スループットを達成できることを示している。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has drawn considerable attention from the research society recently, which creates favorable propagation conditions by controlling the phase shifts of the reflected waves at the surface, thereby enhancing wireless transmissions. In this paper, we study a downlink multi-user system where the transmission from a multi-antenna base station (BS) to various users is achieved by the RIS reflecting the incident signals of the BS towards the users. Unlike most existing works, we consider the practical case where only a limited number of discrete phase shifts can be realized by the finite-sized RIS. Based on the reflection-dominated one-hop propagation model between the BS and users via the RIS, a hybrid beamforming scheme is proposed and the sum-rate maximization problem is formulated. Specifically, the continuous digital beamforming and discrete RIS-based analog beamforming are performed at the BS and the RIS, respectively, and an iterative algorithm is designed to solve this problem. Both theoretical analysis and numerical validations show that the RIS-based system can achieve a good sum-rate performance by setting a reasonable size of RIS and a small number of discrete phase shifts.

研究の動機と目的

• 実装上のハードウェア制約のもとで、RIS支援マルチユーザー下行リンクシステムにおけるユーザー間干渉の課題に対処すること。
• RISに制限された離散位相シフトがシステムの合計スループット性能に与える影響を調査すること。
• 基地局における連続的デジタルビームフォーマーとRISにおける離散アナログビームフォーマーを共同最適化するハイブリッドビームフォーミングフレームワークを設計すること。
• 近似的に最適な合計スループットを達成するために必要な最小のRISサイズと位相シフト分解能を特定すること。
• RISベースのハイブリッドビームフォーミングが完全デジタルビームフォーミングを模倣可能である条件を理論的に確立すること。

提案手法

• RISを介した一ホップ伝搬モデルにおいて、反射優勢型環境下で合計スループット最大化問題を定式化する。
• マルチアンテナ基地局における連続的デジタルビームフォーミングと、RISにおける離散位相シフトビームフォーミングを統合する。
• デジタルプレコーダとRIS位相シフトを共同最適化する反復的アルゴリズムを開発する。
• 変数変換を用いて非凸最適化問題を扱いやすい形に変換するための線形近似を適用する。
• 幾何学的級数の性質を用いて、異なる基地局アンテナからの信号が同じユーザーに直交化可能である条件を導出する。
• 完全デジタルビームフォーミング性能に到達するためのRISサイズと位相シフト分解能の理論的境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISにおける離散位相シフトの数が、マルチユーザーRIS支援システムにおける達成可能な合計スループットに与える影響は何か？
• RQ2 制限された位相シフト分解能のもとで、近似的に最適な合計スループット性能を達成するために必要な最小のRISサイズは何か？
• RQ3 RISベースのハイブリッドビームフォーミングは完全デジタルビームフォーミングを模倣可能か？その条件は何か？
• RQ4 RISに離散位相シフトを適用する場合、ユーザー間干渉をどのように最小化できるか？
• RQ5 反射優勢型チャネルモデルにおいて、RIS要素間隔、位相シフト量子化、および信号指向性の関係は何か？

主な発見

• 提案されたハイブリッドビームフォーミング方式は、RISにたった2〜4の離散位相シフトを用いても、高い合計スループットを達成できる。
• $ N_R^2 \times N_R^2 $ 要素を持つRISは、$ N_t \times N_R^2 \times K \times N_t $ を満たす場合、完全デジタルビームフォーミングを模倣可能である。
• 理論的解析により、$ N_t \times N_R^2 \times K $ がRISベースのハイブリッドビームフォーミングで完全デジタルビームフォーミングを達成するための十分条件であることが示された。
• 数値結果により、RIS要素数の増加が合計スループットを顕著に向上させること、特に位相シフト分解能の向上と組み合わせると顕著であることが確認された。
• システム性能は、RIS要素とユーザー位置の整合性に極めて敏感であり、パスループと位相シフトを共同最適化することで最適性能が達成される。
• 適切なRIS位相シフト設計により、異なる基地局アンテナからの信号が同じユーザーに直交化可能であり、イントラユーザー干渉が最小限に抑えられる。