[論文レビュー] Near-Field Beamforming for STAR-RIS Networks

Haochen Li, Yuanwei Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2023

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、STAR-RIS支援MIMOシステムにおける近隣フィールドビームフォーミングフレームワークを提案し、ブロック座標降下（BCD）アルゴリズムを用いて基地局のアクティブビームフォーミングとSTAR-RISの送信・反射係数を共同最適化する。結果は、遠方フィールド手法と比較して近隣フィールドビームフォーミングが重み付き和スループットと自由度（DoFs）を顕著に向上させることを示しており、PENアルゴリズムはスループットでELEを上回るが、ELEは計算複雑度が低い。

ABSTRACT

Recently, simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) have received significant research interest. The employment of large STAR-RIS and high-frequency signaling inevitably make the near-field propagation dominant in wireless communications. In this work, a STAR-RIS aided near-field multiple-input multiple-multiple (MIMO) communication framework is proposed. A weighted sum rate maximization problem for the joint optimization of the active beamforming at the base station (BS) and the transmission/reflection-coefficients (TRCs) at the STAR-RIS is formulated. The non-convex problem is solved by a block coordinate descent (BCD)-based algorithm. In particular, under given STAR-RIS TRCs, the optimal active beamforming matrices are obtained by solving a convex quadratically constrained quadratic program. For given active beamforming matrices, two algorithms are suggested for optimizing the STAR-RIS TRCs: a penalty-based iterative (PEN) algorithm and an element-wise iterative (ELE) algorithm. The latter algorithm is conceived for STAR-RISs with a large number of elements. Numerical results illustrate that: i) near-field beamforming for STAR-RIS aided MIMO communications significantly improves the achieved weighted sum rate compared with far-field beamforming; ii) the near-field channels facilitated by the STAR-RIS provide enhanced degrees-of-freedom and accessibility for the multi-user MIMO system; and iii) the BCD-PEN algorithm achieves better performance than the BCD-ELE algorithm, while the latter has a significantly lower computational complexity.

研究の動機と目的

• STAR-RIS支援ネットワークにおける近隣フィールド伝搬を活用することで、多ユーザーMIMOシステムの性能ギャップを是正すること。
• 大規模かつ高周波数無線システムにおける遠方フィールド仮定の制限を克服すること。
• 重み付き和スループットの向上を目的として、基地局のアクティブビームフォーミングとSTAR-RISの送信・反射係数（TRCs）を共同最適化すること。
• 近隣フィールドビームフォーミング設計に起因する非凸最適化問題を効率的に解くアルゴリズムの開発。

提案手法

• 近隣フィールドSTAR-RIS MIMOシステムにおけるアクティブおよびパッシブビームフォーミングのための重み付き和スループット最大化問題を定式化する。
• 重み付き最小平均二乗誤差（WMMSE）法を用いて非凸問題を再定式化し、反復的最適化を可能にする。
• ブロック座標降下（BCD）フレームワークを適用し、基地局のビームフォーミング行列とSTAR-RISのTRCsを交互に最適化する。
• 固定されたTRCsに対して、凸な二次制約付き二次プログラム（QCQP）を解いて最適なビームフォーミング行列を求める。
• 大規模STAR-RIS向けに、ペナルティに基づく反復的（PEN）手法と要素別反復的（ELE）手法の2つのTRC最適化アルゴリズムを提案する。
• ELEアルゴリズムはTRCsを要素ごとに逐次更新することで計算複雑度を低減するが、PENはペナルティ緩和により高い性能を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STAR-RIS支援MIMOシステムにおける近隣フィールドビームフォーミングは、遠方フィールドビームフォーミングと比較して、どのようにシステム性能を向上させるか？
• RQ2 STAR-RISシステムにおける近隣フィールドと遠方フィールド伝搬の間で、チャネル特性にどのような主要な差異があるか？
• RQ3 近隣フィールドチャネルモデル下で、アクティブおよびパッシブビームフォーミングをどのように共同最適化することで重み付き和スループットを最大化できるか？
• RQ4 大規模STAR-RISにおけるTRC最適化アルゴリズムにおいて、性能と計算複雑度のトレードオフは何か？

主な発見

• 近隣フィールドビームフォーミングは、遠方フィールドビームフォーミングと比較して、STAR-RIS支援MIMOシステムにおける重み付き和スループットを顕著に向上させる。
• 近隣フィールドチャネルは、高ランクのLine-of-Sight（LoS）MIMOチャネルのおかげで、自由度の向上とアクセス性の向上を実現する。
• BCD-PENアルゴリズムはBCD-ELEアルゴリズムよりも優れた重み付き和スループット性能を達成する。
• BCD-ELEアルゴリズムはBCD-PENと比較して顕著に低い計算複雑度を示し、大規模STAR-RIS展開に適している。
• 理論的分析により、WMMSE再定式化下でBCD-PENアルゴリズムがグローバル最適解に収束することが証明された。
• 近隣フィールドモデルは、角度と距離の情報を利用したビームフォーカスングを可能にし、信号の集中と干渉管理の向上を実現する。