[논문 리뷰] Hybrid Precoding Design for Reconfigurable Intelligent Surface aided mmWave Communication Systems

Chandan Pradhan, Ang Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 mmWave 시스템에서 평균 제곱 오차(MSE)를 최소화하기 위해 하이브리드 조절기(HP)와 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)의 위상 이동(PS)을 공동으로 설계하는 방법을 제안한다. 일정 모odulus 제약 조건을 다루기 위해 기울기 투영(GP) 방법을 사용하는 교차 최적화 프레임워크를 활용하여, 알고리즘은 KKT 점으로 수렴하며, 단지 6개의 RF 체인만을 사용함에도 기준 대비 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this letter, we focus on the hybrid precoding (HP) design for the reconfigurable intelligent surface (RIS) aided multi-user (MU) millimeter wave (mmWave) communication systems. Specifically, we aim to minimize the mean-squared-error (MSE) between the received symbols and the transmitted symbols by jointly optimizing the analog-digital HP at the base-station (BS) and the phase shifts (PSs) at the RIS, where the non-convex element-wise constant-modulus constraints for the analog precoding and the PSs are tackled by resorting to the gradient-projection (GP) method. We analytically prove the convergence of the proposed algorithm and demonstrate the desirable performance gain for the proposed design through numerical results.

연구 동기 및 목표

• 제한된 RF 체인을 가진 다중 사용자 mmWave 시스템에서의 사용자 간 간섭과 높은 경로 손실 문제를 해결한다.
• mmWave 대역에서 전체 디지털 조절기의 높은 하드웨어 비용과 전력 소비로 인한 제약을 극복한다.
• 추가적인 RF 체인이나 노이즈 없이 수동적이고 저비용이며 에너지 효율적인 신호 반사를 가능하게 하기 위해 기존의 리피터를 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)으로 대체한다.
• 전송된 기호와 수신된 기호 간의 MSE를 최소화하기 위해 기지국의 하이브리드 조절기와 RIS의 위상 이동을 공동으로 최적화한다.
• 하나의 아날로그 조절기와 RIS 위상 이동에 대해 요소별 일정 모odulus 제약 조건을 다룰 수 있는 수렴 가능한 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 기지국의 하이브리드 조절기와 RIS의 위상 이동을 공동으로 최적화하여 MSE를 최소화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 기타 변수를 고정한 채로 아날로그 조절기와 RIS 위상 이동을 번갈아 가며 최적화하는 교차 최적화 프레임워크를 사용한다.
• 기울기 투영(GP) 방법을 적용하여 아날로그 조절기와 RIS 위상 이동 양쪽에 대해 요소별 일정 모odulus 제약 조건을 강제한다.
• 비용 함수에 대한 2차 상한을 사용한 주요화-최소화 프레임워크를 통해 알고리즘의 수렴성을 KKT 점으로 분석적으로 증명한다.
• 단계적 업데이트를 사용하여 아날로그 조절기와 RIS 위상 이동을 반복적으로 갱신하며, 위상 코드북 선택(PCS) 제약 조건 하에서 아날로그 조절기의 블록 대각 행렬 구조를 구현한다.
• 비볼록 비용 함수를 근사하기 위해 보조 함수를 사용하여 반복 간 목표 값이 단조 감소하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 방법과 비교해 볼 때, 하이브리드 조절기와 RIS 위상 이동의 공동 최적화가 다중 사용자 mmWave 시스템의 스펙트럼 효율성 향상에 상당한 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 제한된 RF 체인과 일정 모odulus 위상 이동과 같은 실용적인 하드웨어 제약 조건 하에서 제안된 알고리즘이 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 하이브리드 조절기와 함께 RIS를 사용할 경우, 전통적인 리피터 기반 시스템에 비해 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 측면에서 더 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ4 RIS 요소 수(R)와 신호 대 잡음비(SNR)가 하이브리드 조절기-RIS 공동 설계의 성능에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 비볼록 제약 조건 하에서 제안된 알고리즘이 정적 점으로 수렴함이 보장되는가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 조절기와 RIS 위상 이동의 공동 설계는 hpBS-rndRIS 및 hpBS-noRIS와 같은 벤치마크 방법에 비해 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 달성하며, RIS 요소 수가 증가함에 따라 그 효과가 더욱 두드러진다.
• RIS 요소 수(R)가 증가할수록 스펙트럼 효율성이 향상되며, 이는 더 큰 RIS 개구부가 빔포밍 이득과 간섭 완화에 기여함을 보여준다.
• SNR = -10 dB이고 R = 100일 때, 제안된 설계는 단지 6개의 RF 체인만을 사용함에도 불구하고 상한(upperBound)과 완전 디지털 RIS 최적화 기준(fdBS-optRIS)에 매우 가까운 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 비용 함수에 대한 2차 상한을 사용한 주요화-최소화 프레임워크를 통해 분석적으로 수렴성이 증명되었으며, 알고리즘이 KKT 점으로 수렴함을 입증하였다.
• 완전 디지털 기준에 비해 성능 손실가 발생하지만, 단지 6개의 RF 체인만을 사용함으로써 에너지 효율성과 하드웨어 비용 절감 효과가 상당히 크다.
• SNR이 높아질수록 스펙트럼 효율성이 증가함을 확인하여, 다양한 채널 조건 하에서도 제안된 설계의 강건성과 확장성을 입증한다.