[論文レビュー] Simultaneously Transmitting And Reflecting (STAR) RIS Aided Wireless Communications
本稿は、全空間の無線信号操作を可能にする新規な同時送信・反射（STAR）再構成可能知能表面（RIS）を提案し、エネルギー分割（ES）、モード切替（MS）、時間切替（TS）の3つの運用プロトコルを導入することで、基地局での共同アクティブビームフォーミングとSTAR-RISでのパassingビームフォーミングを実現する。主な貢献は、基地局の消費電力を顕著に削減することであり、ESプロトコルはユニキャスト、TSプロトコルはマルチキャストのシナリオで従来のRISを上回る性能を示す。
The novel concept of simultaneously transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RISs) is investigated, where the incident wireless signal is divided into transmitted and reflected signals passing into both sides of the space surrounding the surface, thus facilitating a full-space manipulation of signal propagation. Based on the introduced basic signal model of `STAR', three practical operating protocols for STAR-RISs are proposed, namely energy splitting (ES), mode switching (MS), and time switching (TS). Moreover, a STAR-RIS aided downlink communication system is considered for both unicast and multicast transmission, where a multi-antenna base station (BS) sends information to two users, i.e., one on each side of the STAR-RIS. A power consumption minimization problem for the joint optimization of the active beamforming at the BS and the passive transmission and reflection beamforming at the STAR-RIS is formulated for each of the proposed operating protocols, subject to communication rate constraints of the users. For ES, the resulting highly-coupled non-convex optimization problem is solved by an iterative algorithm, which exploits the penalty method and successive convex approximation. Then, the proposed penalty-based iterative algorithm is extended to solve the mixed-integer non-convex optimization problem for MS. For TS, the optimization problem is decomposed into two subproblems, which can be consecutively solved using state-of-the-art algorithms and convex optimization techniques. Finally, our numerical results reveal that: 1) the TS and ES operating protocols are generally preferable for unicast and multicast transmission, respectively; and 2) the required power consumption for both scenarios is significantly reduced by employing the proposed STAR-RIS instead of conventional reflecting/transmiting-only RISs.
研究の動機と目的
- 従来の反射のみのRISが表面の一方側のユーザーに限定されるという制限を解消すること。
- 新規なSTAR-RISアーキテクチャにより、同時送信と反射を可能にすることで全空間の信号操作を実現すること。
- エネルギー効率とスペクトル効率のバランスを取る実用的な運用プロトコル（ES、MS、TS）を設計すること。
- サービス品質（QoS）制約下で、基地局のアクティブビームフォーミングとSTAR-RISのパassingビームフォーミングを共同最適化することで、基地局の消費電力を最小化すること。
- ユニキャストおよびマルチキャスト通信シナリオにおけるSTAR-RISの展開に関するパフォーマンスの洞察と設計ガイドラインを提供すること。
提案手法
- 入射信号が独立した送信および反射係数を介して送信成分と反射成分に分割される、STAR-RIS素子の基本的な信号モデルを提案する。
- 実用的な3つの運用プロトコル（エネルギー分割（ES）、モード切替（MS）、時間切替（TS））を導入し、それぞれが異なるハードウェアおよび信号制約を持つことを明確にする。
- ESの場合、非凸最適化問題を定式化し、逐次凸近似を用いたペナルティベースの反復アルゴリズムにより解く。
- MSの場合、問題の構造を活用することで、混合整数非凸最適化を扱えるペナルティベースの手法を拡張する。
- TSの場合、最適化を反射フェーズと送信フェーズの2つの部分問題に分解し、凸最適化と最先端のアルゴリズムを用いて解く。
- ユーザーのデータレートおよび電力制約下で、基地局のビームフォーミングとSTAR-RISのパassingビームフォーミングを共同最適化する。
実験結果
リサーチクエスチョン
- RQ1再構成可能知能表面をどのように設計すれば、同時に信号を送信および反射でき、全空間の信号制御を可能にすることができるか？
- RQ2スペクトル効率、エネルギー効率、実装の複雑さという観点から、ES、MS、TSプロトコルの間で生じるパフォーマンスのトレードオフは何か？
- RQ3STAR-RIS支援システムにおける共同アクティブおよびパassingビームフォーミング設計は、従来のRISと比較して基地局の消費電力をどの程度削減できるか？
- RQ4QoS要件が変化する状況下で、ユニキャストとマルチキャスト送信において、ES、MS、TSのどの運用プロトコルが最も適しているか？
- RQ5実世界の無線ネットワークへのSTAR-RIS展開にあたり、特にチャネル推定と展開最適化に関して、どのような主要な設計ガイドラインが得られるか？
主な発見
- ユニキャストおよびマルチキャストの両シナリオにおいて、従来の反射／送信のみのRISと比較して、STAR-RISは顕著に低い基地局の消費電力を達成する。
- ユニキャスト送信では、SINR要件が低い場合（γ₀ < 12 dB）に時間切替（TS）プロトコルが他のプロトコルを上回るが、SINRが高い場合にはエネルギー分割（ES）が、継続的なユーザーサービスを実現する点で優位である。
- マルチキャスト送信では、ESプロトコルが最も優れたパフォーマンスを示す。これは、時間分割のオーバーヘッドがなく、両ユーザーを同時に効率的にサポートできるからである。
- QoS要件が高くなる（γ₀ または γc が高くなる）ほど、TSプロトコルと他のプロトコルとのパフォーマンス差が拡大する。これは、TSの非効率な時間割り当てに起因する。
- 数値結果により、STAR-RISはエネルギー効率とシステムの柔軟性において顕著な利点を示すことが確認され、特に表面の両側にユーザーが分布する場合に顕著である。
- 本研究では、通信タイプとQoS制約に応じたプロトコル選択の重要性が強調されており、マルチキャストおよび高SINRのユニキャストではESが最適であり、低SINRのユニキャストではTSが適している。
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