[論文レビュー] Joint Reflecting and Precoding Designs for SER Minimization in Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted MIMO Systems

Jia Ye, Shuaishuai Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、有限のアルファベット入力を持つ再構成可能知能表面（RIS）支援MIMOシステムにおける記号誤り率（SER）を最小化するため、反射と先行符号化の共同設計を提案する。新しいアルゴリズム（eMSER-Reflecting、vMSER-Reflecting、MSER-Precoding、MMED-Precoding）を用いて、RISの位相シフトと先行符号化行列を交互に最適化することで、特に不完全なCSI下でも低複雑性実装が可能であり、従来手法に比べて顕著なSERの向上を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates the use of a reconfigurable intelligent surface (RIS) to aid point-to-point multi-data-stream multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications. With practical finite alphabet input, the reflecting elements at the RIS and the precoder at the transmitter are alternatively optimized to minimize the symbol error rate (MSER). In the reflecting optimization with a fixed precoder, two reflecting design methods are developed, referred as eMSER-Reflecting and vMSER-Reflecting. In the optimization of the precoding matrix with a fixed reflecting pattern, the matrix optimization is transformed to be a vector optimization problem and two methods are proposed to solve it, which are referred as MSER-Precoding and MMED-Precoding. The superiority of the proposed designs is investigated by simulations. Simulation results demonstrate that the proposed reflecting and precoding designs can offer a lower SER than existing designs with the assumption of complex Gaussian input. Moreover, we compare RIS with a full-duplex Amplify-and-Forward (AF) relay system in terms of SER to show the advantage of RIS.

研究の動機と目的

• 実用的な有限アルファベット入力を持つRIS支援MIMOシステムにおける記号誤り率（SER）を最小化する課題に対処する。
• 現実の信号コンステレーションを反映しない複素正規入力の仮定に基づく従来の設計の限界を克服する。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）下での、RIS位相シフトと先行符号化行列の共同最適化フレームワークを、低複雑性かつロバストに開発する。
• SERとエネルギー効率の観点から、全デュプレックスアンプリファイアンドフォワード（AF）リレーリングに比べ、RISが優れていることを示す。
• 実用的なハードウェア制約と不完全なCSI下での、反射と先行符号化設計の性能トレードオフを調査する。

提案手法

• 固定された先行符号化の下で、SERを反復的位相調整により最小化するためのeMSER-ReflectingおよびvMSER-Reflectingを提案。
• 先行符号化行列最適化を計算量を低減するためのベクトル最適化問題に変換する。
• Singular値分解と固有ビームフォーミングを活用して、RISが誘発するチャネル応答に一致するように、MSER-PrecodingおよびMMED-Precodingを導入。
• 反復的に行われるRIS位相シフトと先行符号化行列の共同最適化を、交互最適化フレームワークで実現。
• パワー制約下で近似的最適解を導出するため、半定値計画法（SDP）と固有値分解技術を適用。
• チャネル行列に加法的複素ガウスノイズを組み込むことで、不完全なCSIのモデル化を行い、ロバストネスを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限アルファベット入力を持つRIS支援MIMOシステムにおいて、反射と先行符号化の共同設計がどのようにSERを最小化できるか？
• RQ2 RIS位相シフト設計と先行符号化設計の両者がSER性能に与える相対的影響は何か？
• RQ3 不完全なチャネル状態情報（CSI）下で、提案されたアルゴリズムはどのように性能を示すか？
• RQ4 RIS支援システムは、SERとエネルギー効率の観点から、全デュプレックスAFリレーリングシステムを上回ることができるか？
• RQ5 RIS支援システムにおける反射素子数の増加が、性能に与える向上効果は何か？

主な発見

• σ²ₑ = 0.1の完全なCSI下で、vMSER-MMED方式はランダムな共同設計に比べて約10–15 dBのSER向上を達成する。
• σ²ₑ = 0.3の下で、vMSER-MMED方式はランダム設計に比べて約5–6 dBのSER向上を示し、CSI不完全性に対してもロバストであることを実証する。
• 不完全なCSI下で、vMSER-MMED方式はSDP-Eigen方式に比べ、低SNRでは2–3 dB、高SNRでは6–7 dBのSER向上を達成する。
• RISに10個の追加反射素子を装備することで、7–8 dBのSER向上が得られ、ノイズのないAFリレーシステムに近い性能が達成可能となる。
• リレーノイズが増加するにつれて、RISとAFリレーシステム間のSER性能差は縮小するが、素子数が多いほどRISがAFリレーシステムを上回る。
• 離散的入力コンステレーションを持つシステムでは、反射設計が先行符号化設計よりもSER最小化においてより重要な役割を果たす。