[論文レビュー] Simultaneous Transmission and Reflection Reconfigurable Intelligent Surface Assisted MIMO Systems

Hehao Niu, Zheng Chu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、エネルギー分割（ES）、モード選択（MS）、時間分割（TS）プロトコルを用いて、予め設定された波束成形行列と送信／反射係数（TARCs）を最適化することで、同時送信・反射が可能な再構成可能インテリジェント表面（STAR-RIS）を支援するMIMOシステムを提案する。STAR-RISは従来の反射のみのRISを上回る性能を示し、ユニキャストではTSが、ブロードキャストではESが、スペクトル効率と干渉管理の観点で優れることが示された。

ABSTRACT

In this work, we investigate a novel simultaneous transmission and reflection reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted multiple-input multiple-output downlink system, where three practical transmission protocols, namely, energy splitting (ES), mode selection (MS), and time splitting (TS), are studied. For the system under consideration, we maximize the weighted sum rate with multiple coupled variables. To solve this optimization problem, a block coordinate descent algorithm is proposed to reformulate this problem and design the precoding matrices and the transmitting and reflecting coefficients (TARCs) in an alternate manner. Specifically, for the ES scheme, the precoding matrices are solved using the Lagrange dual method, while the TARCs are obtained using the penalty concave-convex method. Additionally, the proposed method is extended to the MS scheme by solving a mixed-integer problem. Moreover, we solve the formulated problem for the TS scheme using a one-dimensional search and the Majorization-Minimization technique. Our simulation results reveal that: 1) Simultaneous transmission and reflection RIS (STAR-RIS) can achieve better performance than reflecting-only RIS; 2) In unicast communication, TS scheme outperforms the ES and MS schemes, while in broadcast communication, ES scheme outperforms the TS and MS schemes.

研究の動機と目的

• スペクトル効率の向上を図るため、信号の同時送信と反射を可能にする新しいSTAR-RIS支援MIMO下行リンクシステムの設計。
• 実用的プロトコル（エネルギー分割（ES）、モード選択（MS）、時間分割（TS））下での、波束成形行列と送信／反射係数（TARCs）の共同最適化の課題に対処。
• 電力制約と位相シフトを含む複数の結合変数のもとで、重み付き和レート（WSR）を最大化すること。
• 各プロトコルに特化した効率的な最適化アルゴリズムの開発。ラグランジュ双対法、ペナルティ凸非凸（PCC）、および主要化最小化（MM）技術を活用。

提案手法

• 重み付き和レート（WSR）最大化問題は、効率的な最適化を可能にするために、等価な重み付き最小平均二乗誤差（WMMSE）法に再定式化される。
• ES方式では、波束成形行列はラグランジュ双対法により最適化され、TARCsはペナルティ凸非凸（PCC）法により得られる。
• MS方式は、二値のモード選択変数を導入することでESフレームワークから拡張された混合整数最適化問題としてモデル化される。
• TS方式では、時間割り当て係数の1次元探索と、主要化最小化（MM）技術を組み合わせ、位相シフトを反復的に最適化する。
• 波束成形行列とTARCsをブロック座標降下の形で共同最適化するため、交替最適化（AO）フレームワークが用いられる。
• 提案されたアルゴリズムは、実際のパスロスおよび fading モデル（LoS成分にはRician fading、NLoS成分にはRayleigh fadingを含む）のもとでシミュレーションにより検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STAR-RIS支援MIMOシステムの重み付き和レートは、従来の反射のみのRISと比較してどのように異なるか？
• RQ2 ユニキャスト通信において、エネルギー分割（ES）、モード選択（MS）、時間分割（TS）の3つのプロトコルのうち、どれが最も高い重み付き和レートを達成するか？
• RQ3 ブロードキャスト通信において、ES、MS、TSのうち、どれが最も高い重み付き和レートを達成するか、その理由は何か？
• RQ4 波束成形行列と送信／反射係数（TARCs）の共同最適化は、STAR-RIS支援MIMOシステムにおけるスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ5 STAR-RIS支援MIMOシステムにおける非凸かつ結合された最適化問題を解くために、最も効果的な最適化技術は何か？

主な発見

• STAR-RISは、全方向信号カバレッジを可能にすることで、従来の反射のみのRISを上回り、あらゆるシナリオで高い重み付き和レートを達成する。
• ユニキャスト通信では、時間分割（TS）方式が最も高い重み付き和レートを達成する。特に高出力条件下で顕著で、ユーザー間干渉を排除できる点が要因である。
• ブロードキャスト通信では、エネルギー分割（ES）方式がTSおよびMS方式を上回る。これは、複数ユーザーへの同時送信に利用可能な時間と電力をフルに活用できるためである。
• RIS素子数（M）が増加するほど、STAR-RISの性能向上が顕著になる。これは、受信機で強い信号のconstructive結合が可能になるためである。
• ラグランジュ双対法、PCC、MMに基づく提案された最適化アルゴリズムは、高品質な解に効果的に収束する。これにより、STAR-RIS支援MIMOシステムの実用的導入が可能になる。
• シミュレーション結果は、波束成形とTARCsの共同最適化が、RISが最適化された位相シフトと電力分割を備えた状態で、スペクトル効率を顕著に向上させることを確認した。