[論文レビュー] Hybrid Precoding Design for Reconfigurable Intelligent Surface aided mmWave Communication Systems

Chandan Pradhan, Ang Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、多ユーザーmmWaveシステムにおける平均誤差二乗誤差（MSE）を最小化するため、ハイブリッドビームフォーミング（HP）と再構成可能知能表面（RIS）位相シフト（PS）を統合的に最適化する手法を提案する。定数位相制約を扱う勾配射影（GP）法を用いた交互最適化フレームワークにより、アルゴリズムはKKT点に収束し、6本のRFチェーンのみを用いても、ベースライン手法に比べて顕著なスペクトル効率の向上を達成する。

ABSTRACT

In this letter, we focus on the hybrid precoding (HP) design for the reconfigurable intelligent surface (RIS) aided multi-user (MU) millimeter wave (mmWave) communication systems. Specifically, we aim to minimize the mean-squared-error (MSE) between the received symbols and the transmitted symbols by jointly optimizing the analog-digital HP at the base-station (BS) and the phase shifts (PSs) at the RIS, where the non-convex element-wise constant-modulus constraints for the analog precoding and the PSs are tackled by resorting to the gradient-projection (GP) method. We analytically prove the convergence of the proposed algorithm and demonstrate the desirable performance gain for the proposed design through numerical results.

研究の動機と目的

• 限定されたRFチェーン数を有する多ユーザーmmWaveシステムにおけるユーザー間干渉と高い経路損失の課題に対処する。
• mmWave帯域における完全デジタルビームフォーミングの高コストおよび高消費電力という限界を克服する。
• 従来のリレーシステムに代えて再構成可能知能表面（RIS）を導入し、追加のRFチェーンや雑音を必要としない受動的で低コストかつエネルギー効率の高い信号反射を実現する。
• 送信シンボルと受信シンボル間のMSEを最小化するために、基地局におけるハイブリッドビームフォーミングとRISにおける位相シフトを同時に最適化する。
• アナログビームフォーミングとRIS位相シフトの両方に要素単位の定数位相制約を処理できる収束性を保証するアルゴリズムを開発する。

提案手法

• 基地局におけるハイブリッドビームフォーミングとRISにおける位相シフトを同時に最適化することでMSEを最小化する非凸最適化問題を定式化する。
• 他の変数を固定した上で交互にアナログビームフォーマとRIS位相シフトを最適化する交互最適化フレームワークを用いる。
• 両方の変数に対して要素単位の定数位相制約を満たすために勾配射影（GP）法を適用する。
• 目的関数の上界として二次関数を用いた主要化最小化アプローチにより、アルゴリズムがKKT点に収束することを解析的に証明する。
• アナログビームフォーマに位相コードブック選択（PCS）制約を課したブロック対角構造を採用し、アナログビームフォーマとRIS位相シフトの反復更新を実装する。
• 非凸な目的関数を近似するサロゲート関数を用い、反復処理において目的関数値が単調に減少することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドビームフォーミングとRIS位相シフトの統合的最適化は、従来の手法と比較して多ユーザーmmWaveシステムにおけるスペクトル効率を顕著に向上させるか？
• RQ2 制限されたRFチェーン数や定数位相制約といった実用的ハードウェア制約下で、提案手法の性能はどのように変化するか？
• RQ3 ハイブリッドビームフォーミングと組み合わせたRISは、伝統的なリレーシステムに比べ、スペクトル効率およびエネルギー効率において優れているか？
• RQ4 RIS要素数（R）と信号対雑音比（SNR）の増加が、HP-RIS統合設計の性能にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 非凸制約下でも、提案アルゴリズムが定常点に収束することが保証されるか？

主な発見

• 提案手法によるハイブリッドビームフォーミングとRIS位相シフトの統合的設計は、hpBS-rndRIS や hpBS-noRIS といったベンチマーク手法に比べ、RIS要素数の増加に伴い顕著なスペクトル効率の向上を達成する。
• RIS要素数（R）の増加に伴いスペクトル効率が向上し、ビームフォーミングゲインと干渉抑圧の観点から、より大きなRISアパーチャの価値が示された。
• SNR = -10 dB、R = 100 の条件下で、提案手法は上界（upBound）および完全デジタルRIS最適化ベンチマーク（fdBS-optRIS）に非常に近いスペクトル効率を達成しており、RFチェーンは6本のみを用いている。
• 主な目的関数の上界として二次関数を用いた主要化最小化フレームワークにより、解析的にアルゴリズムがKKT点に収束することが証明された。
• 6本のRFチェーンのみを用いることで、完全デジタルベンチマークとの性能差は顕著に減少し、エネルギー効率とハードウェアコストの大幅な削減が達成された。
• SNRが上昇するに従いスペクトル効率が向上し、提案手法のチャネル条件の変動に対するロバストネスとスケーラビリティが確認された。