[論文レビュー] Sum Rate Maximization in STAR-RIS Assisted Full-Duplex Communication Systems

Pulasthi P. Perera, Vanodhya G. Warnasooriya+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、エネルギー分割（ES）およびモードスイッチング（MS）プロトコルの下で、反射係数および透過係数を最適化することにより、STAR-RISを用いたフルデュプレックス（FD）通信システムにおけるスルーレート最大化を提案する。逐次凸近似（SCA）を用いて、近似的な最適解を導出しており、STAR-RISが従来のRISおよびハーフデュプレックスシステムよりもスペクトル効率を向上させることを示しており、ESプロトコルがMSプロトコルを上回り、両者とも中程度から高SNRにおいてベースラインを上回ることが明らかになった。

ABSTRACT

The sum-rate performance of simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) assisted full-duplex (FD) communication systems is investigated. The reflection and transmission coefficients of STAR-RIS elements are optimized for the energy splitting and mode switching protocols to maximize the weighted sum rate of the system. The underlying optimization problems are non-convex, and hence, the successive convex approximation technique has been employed to develop efficient algorithms to obtain sub-optimal solutions. Thereby, the maximum average weighted sum rate and corresponding coefficients at the STAR-RIS subject to predefined threshold rates and unit-modulus constraints are quantified. The performance of the proposed system design is compared with the conventional reflecting/transmitting-only RISs and half-duplex counterparts via simulations where it is observed that STAR-RIS can boost the performance of FD systems.

研究の動機と目的

• 従来の反射のみのRISが有するカバレッジとスペクトル効率の限界を是正するため、同時に送信と反射を可能にするSTAR-RISを用いたFDシステムの構築。
• 従来のRISが直面するユーザーが同一側に限定されるトポロジカル制約を克服するため、STAR-RISを活用して表面の両側にユーザーをサービス可能にする。
• QoSレート制約を満たしつつ、上行リンクおよび下行リンクユーザーの重み付き合計スルーレートを最大化すること。
• 単位モジュラス制約およびパワー閾値を含む現実的な制約下で、STAR-RISと従来のRIS、およびハーフデュプレックス（HD）システムの性能を比較すること。

提案手法

• STAR-RISを備えたFDシステムにおける上行リンクおよび下行リンクユーザーの重み付き合計スルーレートを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 逐次凸近似（SCA）手法を用いて、非凸問題を繰り返し凸部分問題に近似し、効率的な近似的最適解を導出する。
• エネルギー分割（ES）プロトコルとモードスイッチング（MS）プロトコルのそれぞれに対応する2つのアルゴリズムを提案し、単位モジュラス制約下で反射係数および透過係数を最適化する。
• 直接リンクおよびRIS補助リンクのチャネル状態情報（CSI）を用いて、信号伝搬および干渉（特にFDアクセスポイントにおける自己干渉）をモデル化する。
• 公平な比較のため、ハーフデュプレックス（HD）ベースラインにおける最適係数の閉形式表現を導出する。
• CVXなどの凸最適化ツールを用いて、SCAフレームワーク内で再定式化された凸問題を解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STAR-RISは、従来のRISおよびハーフデュプレックスシステムと比較して、FD通信システムに効果的に統合可能であり、スペクトル効率の向上をもたらすか？
• RQ2 QoS制約および単位モジュラス制約下で、エネルギー分割（ES）プロトコルとモードスイッチング（MS）プロトコルの合計スルーレート性能はどのように比較されるか？
• RQ3 RIS素子数の増加が、ESおよびMSプロトコルの合計スルーレート性能に与える影響は何か？
• RQ4 さまざまなSNR領域において、STAR-RISの性能は従来のRISおよびハーフデュプレックスシステムと比較してどの程度優れているか？
• RQ5 反射および透過係数の知的な振幅および位相制御は、システムの合計スルーレートをどの程度向上させるか？

主な発見

• すべてのSNR領域において、エネルギー分割（ES）プロトコルがモードスイッチング（MS）プロトコルを上回り、Mが32から64に増加する際、29.3%のスルーレート向上を達成した。
• 高SNR（15 dB）では、ESおよびMSプロトコルの両方がハーフデュプレックス（HD）ベースラインを上回り、特に最適化された振幅制御によりESプロトコルが優れた性能を示した。
• RIS素子数が64から128に倍増した場合、ESプロトコルでは重み付き合計スルーレートが22.3%向上し、MSプロトコルでは27.1%向上した。これは、収穫逓減の傾向を示している。
• M > 48の領域では、MSプロトコルが従来のRISをわずかに上回った。これは、各素子を反射モードまたは透過モードに知的に割り当てられる能力のおかげである。
• ESプロトコルを用いたSTAR-RISは、従来のRISを上回る高い合計スルーレートを達成しており、振幅と位相の共同最適化の利点を示している。
• 提案されたSCAベースのアルゴリズムは、QoS制約および単位モジュラス条件を満たす近似的最適解に収束し、実用的導入が可能であることを示した。