[論文レビュー] Hybrid Relay-Reflecting Intelligent Surface-Assisted Wireless Communication

Nhan T. Nguyen, Quang‐Doanh Vu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、MIMOシステムにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率の向上を目的として、パassing反射と少数のアクティブリレーエレメントを組み合わせたハイブリッドリレーショニングインテリジェントサーフェス（HR-RIS）を提案する。交互最適化および電力割り当てを用いることで、動的HR-RISアーキテクチャは、特に送信電力が低〜中程度で送信機とHR-RISの距離が大きい場合、従来のRISに比べて顕著なSEおよびEEの向上を達成する。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has emerged as a cost- and energy-efficient solution to enhance the wireless communication capacity. However, recent studies show that a very large surface is required for a RIS-assisted communication system; otherwise, they may be outperformed by the conventional relay. Furthermore, the performance gain of a RIS can be considerably degraded by hardware impairments such as limited-resolution phase shifters. To overcome those challenges, we propose a novel concept of hybrid relay-reflecting intelligent surface (HR-RIS), in which a single or few elements are deployed with power amplifiers (PAs) to serve as active relays, while the remaining elements only reflect the incident signals. Two architectures are proposed, including the fixed and dynamic HR-RIS. Their coefficient matrices are obtained based on alternating optimization (AO) and power allocation strategies, which enable understanding the fundamental performances of RIS and relaying-based systems with a trade-off between the two. The simulation results show that a significant improvement in both the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) with respect to the conventional RIS-aided system can be attained by the proposed schemes, especially, by the dynamic HR-RIS. In particular, the favorable design and deployment of the HR-RIS are analytically derived and numerically justified.

研究の動機と目的

• 低分解能位相シフターなどのハードウェア制限（例：低分解能位相シフター）に起因する性能劣化や、表面サイズが大きいという従来のパassing RISの限界を解消する。
• 完全にパassingなRISの非効率性と完全にアクティブなリレーより高い電力消費を解消するため、半パassingなハイブリッドアーキテクチャを導入する。
• 交互最適化および電力割り当てを用いて、性能とエネルギー効率のバランスを取る2つのHR-RISアーキテクチャ（固定および動的）の設計と最適化を行う。
• mmWave帯およびsub-6 GHz帯におけるHR-RISの最適な展開条件を特定するため、RISとリレーリングの利得のトレードオフを調査する。
• 実際のハードウェア制約下でも、HR-RISに少数のアクティブエレメントを設けることで、従来のRISおよびアクティブリレーリングに比べて顕著なSEおよびEEの向上が達成されることを実証する。

提案手法

• 一部のエレメントがアクティブ（パワー増幅器を備える）で、残りはパassing反射素子であるハイブリッドリレーショニングインテリジェントサーフェス（HR-RIS）を提案する。
• 固定HR-RIS（事前に定義されたアクティブエレメント）と動的HR-RIS（チャネル状態に応じてアクティブエレメントを動的に選択）の2つのアーキテクチャを開発する。
• パassingエレメントの位相シフトとアクティブエレメントのビームフォーミングベクトルを同時に最適化するため、交互最適化（AO）を用いる。
• 動的HR-RISにおいて、スペクトル効率を最大化するために、水割り割り当て法を用いて送信電力をアクティブエレメント間で分配する。
• パassing反射とアクティブ増幅を組み合わせた係数行列としてHR-RISをモデル化し、信号処理とビームフォーミングの最適化を統合可能にする。
• システムモデルと性能評価において、分解能制限のある位相シフターおよびパワー増幅器の制約といったハードウェア制限を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブリレーリングとパassing反射を組み合わせたハイブリッドアーキテクチャは、スペクトル効率およびエネルギー効率において、従来のパassing RISを上回る性能を発揮できるか？
• RQ2 アクティブエレメント数（K）がHR-RISのスペクトル効率およびエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ3 送信電力が低い、または距離が長いといった条件下で、HR-RISはパassing RISに比べて最も顕著な性能向上を示すか？
• RQ4 水割り割り当て法によるアクティブエレメントの動的選択は、固定配置のアクティブエレメント構成に比べて、どのようにシステム性能を向上させるか？
• RQ5 HR-RISのアクティブエレメント数を増加させた場合、電力消費の増加と性能向上のトレードオフはどのように変化するか？

主な発見

• 動的HR-RISは、送信電力が低〜中程度の状況では、従来のRISに比べて顕著に高いスペクトル効率を達成する。
• $ P_{\text{a}}^{\text{max}} = -10 $ dBm の条件下では、動的HR-RISは余剰なアクティブエレメントを無効化することでスペクトル効率を維持し、電力消費を削減する。その結果、初期の上昇に続く後、総電力が低下する。
• 固定HR-RISでは、アクティブエレメント数（K）の増加に伴い電力消費が線形に増加するが、動的HR-RISは小規模なKにおいても同等またはより優れたエネルギー効率を維持する。
• 小規模なKにおいて、$ P_{\text{a}}^{\text{max}} = -10 $ dBm であっても、動的HR-RISのエネルギー効率（EE）は、従来のAOベースのRISと同等またはそれ以上である。
• 送信機とHR-RISの距離が大きく、かつ送信電力が制限されている状況で、HR-RISは最も顕著なSEおよびEEの向上を示す。
• 解析的および数値的結果から、HR-RISに少数のアクティブエレメントを設けることが最適であることが確認され、Kを増加させても性能向上が保証されず、むしろ電力消費が増加することが判明した。