[論文レビュー] Optimization of RIS-aided MIMO Systems via the Cutoff Rate

Nemanja Stefan Perović, Marco Di Renzo+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用数 39

ひとこと要約

本稿では、離散信号方式を用いたリフレクションインテリジェントサーフェス（RIS）支援MIMOシステムにおける相互情報量（MI）最適化が、元来扱いにくい問題であるため、実用的で扱いやすい代替指標としてチャネルカットオフレート（CR）を提案する。これにより、従来のガウス信号方式最適化と比較して、特に小規模な信号対応（constellation）において顕著なCRおよびMIの向上が達成される。2つの最適化手法—投影勾配法（PGM）および逐次凸近似（SCA）—を用いて、プレフィンギングとRIS位相シフトを共同最適化する。

ABSTRACT

International audience

研究の動機と目的

• RIS支援MIMOシステムにおける離散信号方式を用いた際の相互情報量（MI）最適化の困難さに対処すること。
• 相互情報量最適化のための実用的で信頼性の高い代替指標として、チャネルカットオフレート（CR）を提案すること。
• 完全なCSIのもとで、プレフィンギングとRIS位相シフトを共同で設計するための効率的な局所最適化手法を開発すること。
• CRに基づく最適化が、実用的な離散変調システムにおいて従来のガウス信号方式に基づく最適化を上回ることを示すこと。

提案手法

• 相互情報量の実用的下限としてチャネルカットオフレート（CR）を用い、最適化を扱いやすくする。
• プレフィンギングとRIS位相シフトの共同最適化に、閉形式更新が可能な投影勾配法（PGM）を提案する。
• RIS素子の非凸な単位モジュラス制約を凸化することで、逐次凸近似（SCA）手法を構築し、最適性を損なわずに解を得る。
• 行列微積分およびベクトル化を用いて、CRの位相シフトおよびプレフィンギング行列に関する複素数勾配を導出する。
• PGMではラインサーチを、SCAでは凸部分問題の解法にCVXとMOSEKを用いる。
• 完全なチャネル状態情報（CSI）を仮定し、単位エネルギーのM-ary変調を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カットオフレートは、離散信号方式を用いたRIS支援MIMOシステムにおける相互情報量最適化の信頼性の高い実用的代替指標として機能するか？
• RQ2 PGMとSCA手法は、プレフィンギングとRIS位相シフトの共同設計最適化において、どのように比較されるか？
• RQ3 CRに基づく最適化は、実用的な離散変調システムにおいて、従来のガウス信号方式に基づく最適化よりも高い相互情報量を達成するか？
• RQ4 直接リンクの存在および遮断状態において、提案手法を用いることで、CRおよびMIの観点でどの程度の性能向上が達成可能か？
• RQ5 非凸性を有する問題であるにもかかわらず、提案手法は悪質な局所最適解を回避できるか？

主な発見

• 提案されたPGMおよびSCA手法は、ほぼ同一の性能を達成し、数回の反復で収束する。
• 直接リンクが存在する場合、CRに基づく最適化により相互情報量が約2 bpcu向上する。遮断状態では、3 bpcuの向上が達成される。
• M = 4の場合、CRに基づく最適化はガウス信号方式に基づく最適化よりも顕著に高いMIを達成し、1 bpcuを超えるギャップを示す。
• ガウス信号方式の実現可能レートはMIを上回るが、M = 16の場合、ギャップは0.2 bpcu未満にまで縮小する。
• 理論的分析により、単位モジュラス制約を超えて位相シフトをスケーリングすることで目的関数が向上することが確認され、最適化における単位モジュラス制約の採用が正当化される。