[논문 리뷰] Beyond Cell-free MIMO: Energy Efficient Reconfigurable Intelligent Surface Aided Cell-free MIMO Communications

Yutong Zhang, Boya Di외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 33인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 저비용 신호 반사 및 빔포밍을 위한 RIS를 활용하여 에너지 효율성을 햖스키기 위해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 도입한 셀리스 MIMO 시스템을 제안한다. 기지국에서의 디지털 빔포밍과 RIS 기반 아날로그 빔포밍을 조합함으로써 반복 알고리즘을 통해 에너지 효율성을 극대화하는 시스템은 최적의 성능이 RIS의 수와 크기에 따라 크게 달라지며, 전통적인 셀리스 시스템에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

Cell-free systems can effectively eliminate the inter-cell interference by enabling multiple base stations (BSs) to cooperatively serve users without cell boundaries at the expense of high costs of hardware and power sources due to the large-scale deployment of BSs. To tackle this issue, the low-cost reconfigurable intelligent surface (RIS) can serve as a promising technique to improve the energy efficiency of cell-free systems. In this paper, we consider an RIS aided cell-free MIMO system where multiple RISs are deployed around BSs and users to create favorable propagation conditions via reconfigurable reflections in a low-cost way, thereby enhancing cell-free MIMO communications. To maximize the energy efficiency, a hybrid beamforming (HBF) scheme consisting of the digital beamforming at BSs and the RIS-based analog beamforming is proposed. The energy efficiency maximization problem is formulated and an iterative algorithm is designed to solve this problem. The impact of the transmit power, the number of RIS, and the RIS size on energy efficiency are investigated. Both theoretical analysis and simulation results reveal that the optimal energy efficiency depends on the numbers of RISs and the RIS size. Numerical evaluations also show that the proposed system can achieve a higher energy efficiency than conventional ones.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 기지국 배치로 인한 전통적인 셀리스 MIMO 시스템의 높은 에너지 비용 문제를 해결하기 위해.
• 셀리스 MIMO 아키텍처에 저비용 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 통합하여 에너지 효율을 향상시키기 위해.
• 에너지 효율 극대화를 위해 기지국에서의 디지털 빔포밍과 RIS에서의 위상 조절을 공동 최적화하기 위해.
• RIS 수, 크기, 전송 전력이 시스템 에너지 효율에 미치는 영향 분석하기 위해.

제안 방법

• 기지국에서의 디지털 빔포밍과 RIS 기반 아날로그 빔포밍을 조합한 하이브리드 빔포밍(HBF) 아키텍처를 제안한다.
• 재구성 가능한 반사를 통해 유리한 전파를 만들기 위해 기지국과 사용자 주변에 다수의 RIS를 배치하는 시스템 모델을 수립한다.
• 전송 전력, RIS 구성, 하드웨어 제약 조건을 포함한 에너지 효율 극대화 문제를 수립한다.
• 실제 하드웨어 및 전력 제약 조건 하에서 디지털 빔포머와 RIS 위상 조절을 공동 최적화하기 위한 반복 알고리즘을 설계한다.
• 통계적 채널 모델과 근사치를 사용하여 합산 속도 및 에너지 효율에 대한 해석 가능한 표현식을 유도한다.
• 제네슨 부등식과 점점 커지는 분석을 적용하여 에너지 효율 도함수의 핵심 항목들이 음수임을 증명함으로써 수렴 분석을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 RIS 통합이 셀리스 MIMO 시스템의 에너지 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 셀리스 MIMO 환경에서 에너지 효율을 극대화하기 위해 최적의 RIS 수와 RIS 크기는 얼마인가?
• RQ3 제안된 하이브리드 빔포밍 방식은 기존의 셀리스 MIMO와 비교해 에너지 효율 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 전송 전력과 RIS 하드웨어 파rameter의 시스템 성능에 대한 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 최적의 에너지 효율은 RIS의 수와 각 RIS의 크기에 매우 민감하며, 비단조화적인 관계를 보인다.
• RIS 크기가 작을 경우 에너지 효율은 RIS 크기가 커짐에 따라 증가하지만, 점점 증가하는 RIS 하드웨어 전력 소비로 인해 결국 감소한다.
• 특히 RIS 대 기지국 전력 비율이 유리할 경우, 기존의 셀리스 MIMO보다 더 높은 에너지 효율을 달성한다.
• 이론적 분석을 통해 $\mathcal{P}_s / (M \cdot P_R) > \ln(NP_T / (k\sigma^2))$ 조건 하에서 작은 RIS 크기에서는 에너지 효율 도함수가 양수임을 확인함으로써, 포화 상태에 도달하기 이르기까지 효율이 증가함을 입증한다.
• 수치 결과는 제안된 알고리즘이 수렴하며 기존 기준 대비 에너지 효율을 크게 향상시킴을 검증한다.