[논문 리뷰] Beamforming Design for Active RIS-Aided Over-the-Air Computation

Deyou Zhang, Ming Xiao외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 30.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 평균 제곱 오차(MSE)를 최소화하기 위해 공중 계산(AirComp)를 위한 공동 수신기 및 활성 RIS beamforming 설계를 제안한다. 삼중 볼록 문제에 대한 교대 최적화(Alternating Optimization, AO)와 자기 간섭을 다루기 위한 이중층 AO 프레임워크를 활용함으로써, 활성 RIS는 특히 채널 조건이 열악한 사용자에게서 수동 RIS보다 훨씬 우수한 MSE 감소 성능을 보인다.

ABSTRACT

Over-the-air computation (AirComp) is emerging as a promising technology for wireless data aggregation. However, its performance is hampered by users with poor channel conditions. To mitigate such a performance bottleneck, this paper introduces an active reconfigurable intelligence surface (RIS) into the AirComp system. Specifically, we begin by exploring the ideal RIS model and propose a joint optimization of the transceiver design and RIS configuration to minimize the mean squared error (MSE) between the target and estimated function values. To manage the resultant tri-convex optimization problem, we employ the alternating optimization (AO) technique to decompose it into three convex subproblems, each solvable optimally. Subsequently, we investigate two specific cases and analyze their respective asymptotic performance to reveal the superiority of the active RIS in mitigating the MSE relative to its passive counterpart. Lastly, we adapt our transceiver and RIS configuration design to account for the self-interference of the active RIS. To handle the resultant highly non-convex problem, we further devise a two-layer AO framework. Simulation results demonstrate the superiority of the active RIS in enhancing AirComp performance compared to its passive counterpart.

연구 동기 및 목표

• 채널 조건이 열악한 사용자로 인한 AirComp의 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 신호 증폭 기능을 갖춘 활성 RIS를 도입하여 수동 RIS의 곱셈 경로 감쇠 한계를 극복하기 위해.
• AirComp 시스템에서 MSE를 최소화하기 위해 공동 수신기 및 RIS 설정을 설계하기 위해.
• 활성 RIS의 자기 간섭을 고려하고 강건한 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 이상적 및 실용적 환경에서 활성 RIS가 수동 RIS보다 우월한 성능을 보임을 입증하기 위해.

제안 방법

• MSE를 최소화하기 위해 공동 수신기 및 활성 RIS beamforming을 위한 삼중 볼록 최적화 문제를 수립하기 위해.
• 교대 최적화(AO)를 적용하여 문제를 세 개의 볼록 하위문제로 분해하고, 각 문제에 대해 닫힌 형태의 해를 구할 수 있도록 하기 위해.
• 활성 RIS의 자기 간섭으로 인해 발생하는 고도로 비볼록적인 문제를 다루기 위해 이중층 AO 프레임워크를 도입하기 위해.
• 행렬 변환과 트레이스 성질을 활용하여 MSE 표현을 효율적인 최적화를 위한 이차형식으로 재작성하기 위해.
• 벡터화된 채널 및 beamforming 변수를 사용하여 MSE 및 전력 제약 조건의 등가 표현을 유도하기 위해.
• 비볼록 구조를 다루기 위해 정규화된 준선형 프로그래밍 및 대각화 기법을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 RIS는 수신기의 채널 조건이 열악한 경우 수동 RIS에 비해 MSE 감소 측면에서 어떻게 성능을 향상시키는가?
• RQ2 채널 조건이 열악한 사용자에 대해 활성 RIS가 MSE를 완화하는 데 있어서 이론적 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 활성 RIS의 자기 간섭은 비빔형 설계에서 효과적으로 모델링되고 억제될 수 있는가?
• RQ4 공동 수신기 및 RIS 설정 최적화가 AirComp 시스템 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 제안된 AO 기반 프레임워크는 활성 RIS가 있는 비볼록 AirComp 문제에 대해 최적 또는 근사 최적 해를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 활성 RIS-보조 AirComp 시스템은 특히 채널 조건이 열악한 사용자에게서 수동 RIS보다 훨씬 낮은 MSE를 달성한다.
• 이중층 AO 프레임워크는 활성 RIS의 자기 간섭을 효과적으로 다루어 고성능의 실용적 구현을 가능하게 한다.
• 이상적 분석 결과, 활성 RIS는 곱셈 경로 감쇠 효과를 극복할 수 있으며, 이로 인해 MSE 성능이 향상됨을 확인하였다.
• 시뮬레이션 결과는 수신기 및 RIS beamforming의 공동 최적화가 기존 기법보다 MSE 감소에 더 효과적임을 검증하였다.
• AO 기반 접근법은 안정된 해에 수렴함으로써 제안된 설계의 실현 가능성과 강건성을 입증하였다.
• 볼록 하위문제에 대한 유도된 닫힌 형태의 해는 낮은 계산 복잡도와 빠른 수렴을 보장한다.