[논문 리뷰] Analysis and Optimization for RIS-Aided Multi-Pair Communications Relying on Statistical CSI

Zhangjie Peng, Tianshu Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 통계적 Channel State Information(CSI)를 사용하여 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS)-보조 다중 쌍 통신을 위한 유전 알고리즘(GA) 기반 최적화 프레임워크를 제안한다. 이는 근사 가능한 전송 속도 식을 유도하고, RIS 요소당 3비트 양자화가 연속적인 위상 이동에 비해 거의 최적의 성능을 달성함을 보여주며, GA 방법이 합산 전송 속도 성능에서 전역 최적 해에 매우 가까이 수렴함을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate a reconfigurable intelligent surface (RIS) aided multi-pair communication system, in which multi-pair users exchange information via an RIS. We derive an approximate expression of the achievable rate by assuming that statistical channel state information (CSI) is available. A genetic algorithm (GA) to solve the rate maximization problem is proposed as well. In particular, we consider implementations of RISs with continuous phase shifts (CPSs) and discrete phase shifts (DPSs). Simulation results verify the correctness of the obtained results and show that the proposed GA method has almost the same performance as the globally optimal solution. In addition, numerical results show that three quantization bits can achieve a large portion of the sum achievable rate for the CPSs setup.

연구 동기 및 목표

• 선로가 차단된 환경에서 저속도, 고복잡도의 다중 쌍 통신 문제를 해결하기 위해.
• 실시간 CSI보다 더 실용적인 통계적 CSI 하에서 RIS-보조 시스템의 실용적인 위상 이동 최적화 방법을 개발하기 위해.
• 연속적 위상 이동(CPSs)과 이산적 위상 이동(DPSs) 간의 성능 상호 교환 관계를 전송 가능한 합산 전송 속도 측면에서 평가하기 위해.
• DPSs에서 최적 성능에 도달하기 위해 필요한 최소한의 양자화 비트 수에 대한 공학적 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 통계적 CSI를 사용하여 Rician fading 채널 하에서 전송 가능한 합산 전송 속도에 대한 근사적인 폐형 식을 유도한다.
• 연속적(CPSs) 및 이산적(DPSs) 위상 이동 설정 모두에 대해 RIS 요소의 위상 이동을 최적화하기 위해 유전 알고리즘(GA)을 제안한다.
• K개의 사용자 쌍으로 구성된 RIS-보조 다중 쌍 시스템을 모델링하며, 각 쌍은 L개의 반사 요소를 가진 RIS를 통해 통신한다. 양방향 링크 모두에 Rician fading을 적용한다.
• 수렴 임계값 $10^{-6}$을 설정하고, 인구 수 100, 세대 수 50, 교차 확률 0.5 및 돌연변이 확률 0.1로 설정된 GA를 구현한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석된 전송 속도 식을 검증하고, GA 성능을 무작위 위상 이동 및 완전 탐색과 비교한다.
• 특히 B=3일 때, 양자화 비트 수(B)가 합산 전송 속도 성능에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통계적 CSI만 제공될 경우 RIS-보조 다중 쌍 통신 시스템의 전송 속도 성능는 어떠한가?
• RQ2 유전 알고리즘 기반 위상 이동 최적화의 성능은 합산 전송 속도 측면에서 전역 최적 해와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 연속적 위상 이동의 성능의 대부분을 달성하기 위해 RIS 요소당 최소 몇 비트의 양자화 비트가 필요한가?
• RQ4 Rician 인자는 합산 전송 속도 성능과 최적화된 위상 이동 및 무작위 위상 이동 방식 간의 성능 격차에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 유도된 전송 속도에 대한 분석적 식은 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 강력한 일치를 보이며, 이론적 프레임워크의 타당성을 입증한다.
• 제안된 GA 기반 최적화는 특히 저 SNR 및 중간 정도의 Rician 인자 조건에서, 완전 탐색으로 확보된 전역 최적 해와 거의 동일한 합산 전송 속도 성능을 달성한다.
• RIS 요소당 단지 3비트의 양자화만으로도 연속적 위상 이동의 약 95%의 합산 전송 속도 성능을 달성하며, 이는 낮은 하드웨어 복잡도로도 높은 스펙트럼 효율성을 확보할 수 있음을 시사한다.
• 합산 전송 속도는 RIS 요소 수 L과 신호 대 잡음비(SNR)가 증가할수록 기대한 바와 같이 증가하며, 고 SNR에서 뚜렷한 성능 향상이 관찰된다.
• Rician 인자가 증가함에 따라 GA 최적화된 방식과 무작위 위상 이동 간의 성능 격차는 고정된 값으로 수렴하며, 이는 LOS 지배가 최적화의 이점을 감소시킴을 나타낸다.