[논문 리뷰] Degree-of-Freedom of Modulating Information in the Phases of Reconfigurable Intelligent Surface

Hei Victor Cheng, Wei Yu|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 43인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)이 조절 가능한 단위 위상 이동을 통해 정보를 변조할 때 RIS를 활용한 통신에서 자유도(Degree-of-Freedom, DoF)의 향상을 조사한다. RIS를 수동 빔포머가 아니라 능동적 정보 변조기로 간주함으로써, 저자들은 송신기와 RIS 간의 공동 전송이 $\min(M + \frac{N}{2} - \frac{1}{2}, N, K)$의 DoF를 달성할 수 있음을 보여주며, 이는 기존 MIMO의 DoF인 $\min(M, K)$를 크게 초월한다.

ABSTRACT

This paper investigates the information theoretic limit of a reconfigurable intelligent surface (RIS) aided communication scenario in which the RIS and the transmitter either jointly or independently send information to the receiver. The RIS is an emerging technology that uses a large number of passive reflective elements with adjustable phases to intelligently reflect the transmit signal to the intended receiver. While most previous studies of the RIS focus on its ability to beamform and to boost the received signal-to-noise ratio (SNR), this paper shows that if the information data stream is also available at the RIS and can be modulated through the adjustable phases at the RIS, significant improvement in the {degree-of-freedom} (DoF) of the overall channel is possible. For example, for an RIS system in which the signals are reflected from a transmitter with $M$ antennas to a receiver with $K$ antennas through an RIS with $N$ reflective elements, assuming no direct path between the transmitter and the receiver, joint transmission of the transmitter and the RIS can achieve a DoF of $\min\left(M+\frac{N}{2}-\frac{1}{2},N,K ight)$ as compared to the DoF of $\min(M,K)$ for the conventional multiple-input multiple-output (MIMO) channel. This result is obtained by establishing a connection between the RIS system and the MIMO channel with phase noise and by using results for characterizing the information dimension under projection. The result is further extended to the case with a direct path between the transmitter and the receiver, and also to the multiple access scenario, in which the transmitter and the RIS send independent information. Finally, this paper proposes a symbol-level precoding approach for modulating data through the phases of the RIS, and provides numerical simulation results to verify the theoretical DoF results.

연구 동기 및 목표

• RIS가 자신의 위상 이동을 통해 정보를 능동적으로 변조할 때 RIS 보조 통신의 정보이론적 한계를 조사하는 것.
• RIS가 송신기의 신호를 뿐만 아니라 SNR를 향상시키는 데만 사용하는 것과는 달리, RIS와 송신기가 공동으로 데이터를 전송할 경우 DoF 향상을 정량화하는 것.
• 송신기와 수신기 사이에 직접 링크가 존재하는 경우에도 DoF 분석을 확장하는 것.
• RIS와 송신기가 독립적인 데이터 스트림을 전송하는 다중 액세스 환경에서 DoF를 연구하는 것.
• 실용적인 RIS 상에서 위상 기반 정보 변조를 구현할 수 있도록 하는 심볼 수준의 예상편성 전략을 제안하고 평가하는 것.

제안 방법

• 저자들은 RIS 보조 채널과 위상 노이즈가 있는 MIMO 채널 간의 수학적 유사성을 확립하여 투영 하에서 정보 차원을 분석한다.
• RIS를 위상 이동을 통해 데이터를 변조하는 공동 송신기로 모델링하여 RIS가 있는 점 대 점 MIMO 시스템의 DoF를 유도한다.
• 정보 차원 이론과 투영 성질을 활용하여 DoF 표현식 $\min(M + \frac{N}{2} - \frac{1}{2}, N, K)$을 유도한다.
• 다중 액세스 환경에서는 송신기와 RIS가 독립적으로 데이터를 전송하고 수신기가 공동 디코딩을 수행하는 조건에서 DoF를 분석한다.
• 이론적 DoF에 가까운 성능을 달성하기 위해 전송빔포밍과 RIS 위상 이동을 동시에 최적화하는 심볼 수준의 예상편성 알고리즘을 제안한다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 리emannian 공액 기울기 방법을 적용하였으며, RIS 위상 이동의 단위 모듈러스 제약 조건을 유지하기 위해 재구성 및 이동 매핑을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS가 자신의 위상 이동을 통해 정보를 능동적으로 변조할 때 RIS 보조 MIMO 시스템에서 도달 가능한 최대 자유도(Degree-of-Freedom, DoF)는 얼마인가?
• RQ2 RIS와 송신기가 공동으로 데이터를 전송할 경우 RIS 보조 시스템의 DoF는 기존 MIMO와 비교하여 어떻게 다를까?
• RQ3 송신기와 수신기 사이에 직접 링크가 존재할 경우 RIS 보조 시스템의 DoF에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 송신기와 RIS가 독립적인 데이터 스트림을 전송하는 다중 액세스 환경에서 DoF는 얼마인가?
• RQ5 실용적인 심볼 수준의 예상편성 전략이 RIS 보조 통신에서 이론적 DoF 한계에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 송신기와 RIS 간의 공동 전송은 $\min(M + \frac{N}{2} - \frac{1}{2}, N, K)$의 DoF를 달성하며, 이는 기존 MIMO의 DoF인 $\min(M, K)$를 크게 초월한다.
• DoF 향상은 RIS가 위상 변조를 통해 정보를 전달할 수 있기에 발생하며, 이는 시스템의 멀티plexing 이득을 효과적으로 증가시킨다.
• 송신기와 수신기 사이에 직접 링크가 존재하는 경우에도 DoF는 기존 MIMO보다 향상되며, 다만 표현식은 채널 조건에 따라 달라진다.
• 독립적인 데이터 스트림을 전송하는 다중 액세스 환경에서는 RIS의 위상 제약 조건을 고려하여 두 소스의 차원 합으로 결정되는 DoF를 가진다.
• 수치 결과는 제안된 심볼 수준의 예상편성 접근 방식이 이론적 DoF 한계에 근접함을 확인하며, 정보이론적 분석의 타당성을 검증한다.
• 적절한 재구성 및 이동 매핑을 적용한 Riemannian 공액 기울기 방법은 비볼록 최적화 문제를 효과적으로 해결하면서도 RIS 위상 이동의 단위 모듈러스 제약 조건을 유지한다.