[논문 리뷰] Adaptive Bit Partitioning for Reconfigurable Intelligent Surface Assisted FDD Systems with Limited Feedback

Weicong Chen, Chao-Kai Wen외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 30.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 45인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 제한된 피드백을 가진 재구성 가능 지능 표 superfine(RIS)-보조 FDD 시스템을 위해 적응형 비트 분할 전략을 제안하며, 최적의 피드백 비트 할당을 통해 별도로 양자화하는 LoS 및 NLoS 경로 이득을 사용하는 계단식 코드북을 도입한다. 기존의 RVQ 코드북에 비해 도입된 방법은 특히 Rician 계수와 RIS 요소 수가 다양할 경우, 평균 수신 손실을 30–50% 감소시킨다.

ABSTRACT

In frequency division duplexing systems, the base station (BS) acquires downlink channel state information (CSI) via channel feedback, which has not been adequately investigated in the presence of RIS. In this study, we examine the limited channel feedback scheme by proposing a novel cascaded codebook and an adaptive bit partitioning strategy. The RIS segments the channel between the BS and mobile station into two sub-channels, each with line-of-sight (LoS) and non-LoS (NLoS) paths. To quantize the path gains, the cascaded codebook is proposed to be synthesized by two sub-codebooks whose codeword is cascaded by LoS and NLoS components. This enables the proposed cascaded codebook to cater the different distributions of LoS and NLoS path gains by flexibly using different feedback bits to design the codeword structure. On the basis of the proposed cascaded codebook, we derive an upper bound on ergodic rate loss with maximum ratio transmission and show that the rate loss can be cut down by optimizing the feedback bit allocation during codebook generation. To minimize the upper bound, we propose a bit partitioning strategy that is adaptive to diverse environment and system parameters. Extensive simulations are presented to show the superiority and robustness of the cascaded codebook and the efficiency of the adaptive bit partitioning scheme.

연구 동기 및 목표

• 채널 행렬 크기가 과도한 피드백 오버헤드를 유발하는 RIS 보조 FDD 시스템에서 제한된 피드백 문제를 해결하기 위해.
• i.i.d. 경로 이득을 가정하지만 LoS 및 NLoS 구성요소의 비i.i.d. 분포에서는 실패하는 간단한 무작위 벡터 양자화(RVQ) 코드북의 한계를 극복하기 위해.
• LoS 및 NLoS 경로 이득을 별도로 모델링하는 두 개의 하위 코드북을 사용하여 유연한 비트 할당이 가능한 계단식 코드북을 설계하기 위해.
• 최대 비율 전송(MRT) 하에서 평균 수신 손실의 이론적 상한선을 유도하고, 이를 최소화하기 위해 피드백 비트 할당을 최적화하기 위해.

제안 방법

• LoS 및 NLoS 경로 이득 각각에 대해 독립적으로 최적화된 양자화 수준을 가진 두 개의 하위 코드북을 연결하여 구성된 계단식 코드북을 제안한다.
• RIS 채널을 두 단계의 계단 구조로 모델링한다: BS–RIS 및 RIS–MS, 각각 LoS 및 NLoS 구성요소를 포함하며, 경로 이득을 별도로 피드백할 수 있도록 한다.
• LoS 및 NLoS 구성요소에 할당된 피드백 비트에 따라 의존하는 폐쇄형 상한선을 유도한다.
• Rician 계수, 경로 수, RIS 요소 수를 기반으로 피드백 비트를 할당하는 적응형 비트 분할 전략을 개발하여 수신 손실을 최소화한다.
• 이론적 분석을 통해 최적의 비트 할당이 LoS 및 NLoS 경로 간의 상대적 전력 차이에 따라 달라지며, 이는 RIS 크기와 전파 환경에 의해 영향을 받는다는 것을 보여준다.
• 기지국에서 최대 비율 전송(MRT)을 사용하고 통계적 채널 모델 및 RVQ 코드북 성질을 활용하여 성능 상한선을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 보조 FDD 시스템에서 높은 스펙트럼 효율성을 유지하면서 피드백 오버헤드를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 LoS 및 NLoS 경로 이득의 분포가 상당히 다를 경우, 제한된 피드백 비트를 어떻게 LoS와 NLoS 간에 분할할 수 있는가?
• RQ3 LoS 및 NLoS 구성요소를 별도로 양자화하는 계단식 코드북이 기존의 RVQ 코드북에 비해 평균 수신 손실 측면에서 더 우수한 성능을 보일 수 있는가?
• RQ4 Rician 계수, 경로 수, RIS 요소 수와 같은 시스템 파라미터가 최적의 피드백 비트 할당에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 MRT 하에서 평균 수신 손실의 이론적 상한선은 무엇이며, 이를 비트 할당을 통해 어떻게 최소화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 계단식 코드북은 기존의 RVQ 코드북에 비해 평균 수신 손실을 30–50% 감소시키며, 특히 높은 Rician 계수 환경에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• Rician 계수와 경로 수를 기반으로 한 적응형 비트 분할 전략은 뚜렷한 수신 이득을 제공하며, Rician 계수가 높을수록 LoS 구성요소에 더 많은 비트 할당이 유리하다.
• 평균 수신 손실의 상한선은 LoS 및 NLoS 경로에 대해 별도로 할당된 피드백 비트의 함수이며, 이는 비트 할당의 정밀 최적화를 가능하게 한다.
• 경로 이득의 분산이 더 높은 경로 유형에 더 많은 비트를 할당할 경우 평균 수신 손실 상한선이 최소화되며, 이는 Rician 계수와 경로 수에 의해 결정된다.
• 수치 결과는 적응형 비트 분할 전략이 다양한 전파 환경과 시스템 구성에서 강인함을 확인한다.
• 특히 RIS에 많은 요소가 포함된 경우, 피드백 오버헤드를 크게 줄이고 near-최적의 스펙트럼 효율을 달성한다.