[論文レビュー] MIMO Interference Channels Assisted by Reconfigurable Intelligent Surfaces: Mutual Coupling Aware Sum-Rate Optimization Based on a Mutual Impedance Channel Model

Andrea Abrardo, Davide Dardari+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、複数の再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）で強化されたMIMO干渉チャネルにおける、相互結合を考慮したスルーレート最適化アルゴリズムを提案する。相互インダクタンスに基づく回路モデルを用いて、密に配置されたRIS素子間の電磁気的相互作用を捉える。重み付き最小平均二乗誤差（wMMSE）およびブロック座標降下法に基づく反復的アルゴリズムであり、収束性が理論的に保証されており、相互結合を考慮することでスルーレートが著しく向上することが示され、特に波長未満のRIS構成において顕著である。

ABSTRACT

We investigate a multi-user multiple-input multiple-output interference network in the presence of multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs). The entire system is described by using a circuit-based model for the transmitters, receivers, and RISs. This is obtained by leveraging the electromagnetic tool of mutual impedances, which accounts for the signal propagation and the mutual coupling among closely-spaced scattering elements. An iterative and provably convergent optimization algorithm that maximizes the sum-rate of RIS-assisted multi-user interference channels is introduced. Numerical results show that the sum-rate is enhanced if the mutual coupling among the elements of the RISs is accounted for at the optimization stage.

研究の動機と目的

• 密に配置されたRIS素子間の相互結合を考慮するが、電磁気的適合性に欠けるモデルが多数存在するRIS支援MIMO干渉チャネルにおける課題に対処すること。
• 複数のRISおよび複数ユーザーを有するMIMOシステムにおいて、相互結合効果を考慮しながらスルーレートを最大化する、収束性が保証された最適化アルゴリズムの開発。
• 従来の手法が無視する相互結合を設計プロセスに組み込むことによる性能向上を実証すること。
• 信号伝搬およびRIS支援ネットワーク内の電磁気的相互作用を正確に表現する、回路ベースの相互インダクタンスチャネルモデルの提供。

提案手法

• 送信機、受信機、およびRIS素子間の電磁気的相互作用を捉えるために、相互インダクタンスに基づく回路フレームワークを用いてシステムをモデル化する。
• エンドツーエンドのチャネル行列は、電圧発生源と負荷インピーダンスの関係から導出され、相互インダクタンス行列を介して相互結合を組み込む。
• 重み付き最小平均二乗誤差（wMMSE）およびブロック座標降下法（BCD）に基づく反復的アルゴリズムを提案し、プリコーディング行列とRIS反射係数を同時に最適化する。
• アルゴリズムはプリコーディング行列とRIS位相シフトの最適化を交互に繰り返し、wMSEコスト関数の非増加性により収束が保証される。
• 相互結合行列は[2, Lemma 2]の解析的表現を用いて計算され、チャネルモデルにおける電磁気的適合性が確保される。
• 最適化フレームワークは、複数のRISおよび複数ユーザーMIMO環境下での、すべての送信機-受信機ペair間の干渉を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密に配置されたRIS素子間の相互結合が、MIMO干渉チャネルにおけるスルーレート性能に与える影響は何か？
• RQ2 従来のモデルと比較して、相互インダクタンスベースのチャネルモデルは、RIS支援システムの最適化精度を向上させるか？
• RQ3 RIS最適化時に相互結合を無視した場合、その結果として得られるスルーレートにどのような影響が生じるか？
• RQ4 RIS素子数とそれらの間隔が、相互結合の認識による性能向上に与える影響は何か？
• RQ5 提案された反復的アルゴリズムは安定解に収束するか？また、結合を無視する不一致設計と比較して性能はいかがなっているか？

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは収束性が保証されており、重み付き平均二乗誤差（wMSE）が反復回数に伴い単調に減少し、スルーレートは非減少となる。
• 最適化プロセスで相互結合を考慮することでスルーレートが向上し、特に素子間隔≤ λ/16の波長未満RIS構成において顕著である。
• 素子間隔d = λ/16の場合、設計時に相互結合を組み込むことでスルーレートが著しく向上し、素子数を増やすことでの性能向上では完全に相殺されない。
• アルゴリズムは干渉を受ける受信機方向にアレイファクターにアンチローブを形成するようにRISを設定し、干渉抑圧によるビームフォーミング利得を確認する。
• 最適化されたRISの等価アレイファクター（AF）は、干渉受信機の到来方向にアンチローブが一致しており、アルゴリズムが干渉を効果的に抑圧できることを検証する。
• 数値結果から、相互結合を無視する（MCU）設計は、相互結合を考慮する（MCA）設計と比較して性能劣化を示すことが明らかになった。特に素子間隔が小さい場合顕著である。