[논문 리뷰] Hybrid Beamforming for Reconfigurable Intelligent Surface based Multi-user Communications: Achievable Rates with Limited Discrete Phase Shifts

Boya Di, Hongliang Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 31.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 28인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS)-보조 다중 사용자 다운링크 통신을 위한 하이브리드 비임패닝 기법을 제안한다. 이 기법에서는 기지국이 연속적인 디지털 비임패닝을 사용하고, RIS는 제한된 이산 단계 위상 시프트를 적용한다. 연구는 적절한 크기의 RIS와 소수의 이산 단계 위상 시프트를 사용할 경우, 사용자 간 간섭을 억제하고 신호의 정렬성을 향상시키기 위해 비임패닝을 최적화함으로써 높은 합산 속도를 달성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has drawn considerable attention from the research society recently, which creates favorable propagation conditions by controlling the phase shifts of the reflected waves at the surface, thereby enhancing wireless transmissions. In this paper, we study a downlink multi-user system where the transmission from a multi-antenna base station (BS) to various users is achieved by the RIS reflecting the incident signals of the BS towards the users. Unlike most existing works, we consider the practical case where only a limited number of discrete phase shifts can be realized by the finite-sized RIS. Based on the reflection-dominated one-hop propagation model between the BS and users via the RIS, a hybrid beamforming scheme is proposed and the sum-rate maximization problem is formulated. Specifically, the continuous digital beamforming and discrete RIS-based analog beamforming are performed at the BS and the RIS, respectively, and an iterative algorithm is designed to solve this problem. Both theoretical analysis and numerical validations show that the RIS-based system can achieve a good sum-rate performance by setting a reasonable size of RIS and a small number of discrete phase shifts.

연구 동기 및 목표

• 실제 하드웨어 제약 조건이 존재하는 RIS 보조 다중 사용자 다운링크 시스템에서 사용자 간 간섭 문제를 해결하기 위해.
• RIS에 적용된 제한된 이산 단계 위상 시프트가 시스템의 합산 속도 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 기지국의 디지털 비임패닝과 RIS의 이산 아날로그 비임패닝을 동시에 최적화하는 하이브리드 비임패닝 프레임워크를 설계하기 위해.
• 근사 최적의 합산 속도를 달성하기 위해 필요한 최소한의 RIS 크기와 위상 시프트 해상도를 규명하기 위해.
• RIS 기반 하이브리드 비임패닝이 완전한 디지털 비임패닝을 모방할 수 있는 이론적 조건을 설정하기 위해.

제안 방법

• RIS를 통한 반사 지배적 1호프 전파 모델을 바탕으로 합산 속도 극대화 문제를 수립한다.
• 다중 안테나 기지국의 연속적인 디지털 비임패닝과 RIS의 이산 단계 위상 시프트 비임패닝을 통합한다.
• 디지털 프리코더와 RIS 위상 시프트를 동시에 최적화하기 위한 반복적 알고리즘을 개발한다.
• 비볼록 최적화 문제를 변수 치환을 통해 다룰 수 있는 형태로 변환하기 위해 선형 근사를 적용한다.
• 기하학적 합 성질을 활용하여 동일한 사용자에게서 온 다양한 기지국 안테나의 신호를 정규직교화할 수 있는 조건을 유도한다.
• 완전한 디지털 비임패닝 성능을 달성하기 위해 RIS 크기와 위상 시프트 해상도에 대한 이론적 한계를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS에 적용된 이산 단계 위상 시프트의 수가 다중 사용자 RIS 기반 시스템에서 달성 가능한 합산 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 제한된 위상 시프트 해상도를 가진 상태에서 근사 최적의 합산 속도 성능을 달성하기 위해 필요한 최소 RIS 크기는 얼마인가?
• RQ3 RIS 기반 하이브리드 비임패닝은 완전한 디지털 비임패닝을 모방할 수 있으며, 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ4 RIS에 이산 단계 위상 시프트를 사용할 경우 사용자 간 간섭을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ5 반사 지배적 채널 모델에서 RIS 요소 간격, 위상 시프트 양자화 및 신호 정렬성 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 비임패닝 기법은 RIS에 단지 2~4개의 이산 단계 위상 시프트만 존재하더라도 높은 합산 속도를 달성할 수 있다.
• $ N_R^2 \times N_R^2 $ 요소를 가진 RIS는 $ N_t \times N_R^2 \times K \times N_t $ 조건을 만족할 경우 완전한 디지털 비임패닝을 모방할 수 있다. 여기서 $ N_t $는 기지국 안테나 수이다.
• 이론적 분석 결과, $ N_t \times N_R^2 \times K $ 는 RIS 기반 하이브리드 비임패닝을 통해 완전한 디지털 비임패닝 성능을 달성하기 위한 충분한 조건임을 밝혀냈다.
• 수치 결과는 RIS 요소 수를 늘일수록 합산 속도가 크게 향상되며, 특히 위상 시프트 해상도가 높을 경우 더욱 두드러진다.
• 시스템 성능은 RIS 요소와 사용자 위치 간 정렬에 매우 민감하며, 경로 손실과 위상 시프트를 동시에 최적화할 경우 최고의 성능을 달성한다.
• 적절한 RIS 위상 시프트 설계를 통해 동일 사용자에게서 온 다양한 기지국 안테나의 신호를 정규직교화할 수 있으며, 이는 내부 사용자 간섭을 최소화한다.