[논문 리뷰] Hybrid Relay-Reflecting Intelligent Surface-Aided Wireless Communications: Opportunities, Challenges, and Future Perspectives

Nhan T. Nguyen, Jiguang He외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering참고 문헌 15인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 광범위한 수동 반사 요소와 소수의 활성 요소를 통합하여 빔포밍 성능을 향상시키고, 효율적인 채널 추정 및 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키는 하이브리드 릴레이-반사 지능형 표면(HR-RIS) 아키텍처를 제안한다. 수치 결과는 단지 네 개의 활성 요소를 갖는 HR-RIS가 기존 RIS보다 최대 42.8% 높은 스펙트럼 효율성과 41.8% 높은 에너지 효율성을 달성함을 보여준다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have emerged as a cost- and energy-efficient technology that can customize and program the physical propagation environment by reflecting radio waves in preferred directions. However, the purely passive reflection of RISs not only limits the end-to-end channel beamforming gains, but also hinders the acquisition of accurate channel state information for the phase control at RISs. In this paper, we provide an overview of a hybrid relay-reflecting intelligent surface (HR-RIS) architecture, in which only a few elements are active and connected to power amplifiers and radio frequency chains. The introduction of a small number of active elements enables a remarkable system performance improvement which can also compensate for losses due to hardware impairments such as the deployment of limited-resolution phase shifters. Particularly, the active processing facilitates efficient channel estimation and localization at HR-RISs. We present two practical architectures for HR-RISs, namely, fixed and dynamic HR-RISs, and discuss their applications to beamforming, channel estimation, and localization. The benefits, key challenges, and future research directions for HR-RIS-aided communications are also highlighted. Numerical results for an exemplary deployment scenario show that HR-RISs with only four active elements can attain up to 42.8 percent and 41.8 percent improvement in spectral efficiency and energy efficiency, respectively, compared with conventional RISs.

연구 동기 및 목표

• 순수 수동 반사 및 유한 해상도 위상 이동기로 인해 제한되는 기존 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)의 성능 한계, 즉 빔포밍 이득 및 채널 추정 정확도를 해결하기 위해.
• 소수의 활성 요소와 전력 증폭기, RF 체인을 탑재하여 시스템 성능을 향상시키는 하이브리드 릴레이-반사 지능형 표면(HR-RIS) 아키텍처를 제안하기 위해.
• 저비용 하드웨어 및 낮은 에너지 소비를 유지하면서도 활성 처리를 통해 효율적인 채널 추정, 위치 추정 및 빔포밍을 가능하게 하기 위해.
• 실제 구현 및 시스템 통합을 위한 실용적인 아키텍처—고정형 및 동적 HR-RIS—를 탐색하기 위해.
• HR-RIS 기반 무선 네트워크의 대규모 구현을 위한 주요 과제와 향후 연구 방향을 규명하기 위해.

제안 방법

• HR-RIS 아키텍처는 전력 증폭기와 RF 체인에 연결된 소수의 활성 반사 요소를 통합하여 순수 수동 RIS와 달리 신호 반사와 증폭 기능을 모두 구현한다.
• 신호 모델은 수동 반사와 활성 릴레이 기능을 조합한 선형 맵핑으로 HR-RIS를 표현하며, 활성 요소는 전반구간 수신-전송(AF) 릴레이 기능을 수행한다.
• 두 가지 아키텍처가 제안된다: 고정형 HR-RIS는 활성 요소가 사전 설정되며, 동적 HR-RIS는 채널 상태에 따라 적응형 재구성이 가능하다.
• 스펙트럼 및 에너지 효율성을 극대화하기 위해 기지국, 이동국 및 HR-RIS의 빔포밍을 공동 최적화하지만, 이는 높은 계산 복잡도를 유발한다.
• 비볼록이고 고차원적인 최적화 문제를 저지연 및 저복잡도로 해결하기 위해 인공지능(AI) 기반 방법이 제안된다.
• 데이터 기반 AI 기법은 파ilot이 없는 채널 추정 및 위치 추정을 위해 탐색되었지만, 동적 채널에 대한 강인성은 여전히 과제이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 릴레이-반사 지능형 표면(HR-RIS) 아키텍처는 순수 수동 RIS의 빔포밍 이득 및 채널 추정 정확도 제약을 어떻게 극복할 수 있는가?
• RQ2 최소한의 활성 요소를 갖는 HR-RIS는 스펙트럼 효율성(SE) 및 에너지 효율성(EE) 측면에서 기존 RIS보다 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 고정형 및 동적 HR-RIS 아키텍처는 빔포밍 및 위치 추정에 있어 설계, 구현 및 응용 측면에서 어떻게 상이한가?
• RQ4 특히 계산 복잡도, 동기화 및 제어 신호 전송 측면에서 HR-RIS 기반 시스템을 구현할 때 주요 과제는 무엇인가?
• RQ5 AI 기반 방법은 동적 HR-RIS 환경에서 강인하고 저복잡도이며 파ilot이 없는 채널 추정 및 위치 추정을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 예시적인 구현 환경에서 단지 네 개의 활성 요소를 갖는 HR-RIS는 기존 RIS보다 최대 42.8% 높은 스펙트럼 효율성과 41.8% 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• 활성 요소의 통합은 효과적인 빔포밍을 가능하게 하며, 수동 RIS의 한계를 극복하고 종단 간 채널 빔포밍 이득을 크게 향상시킨다.
• HR-RIS에서의 활성 처리 기능은 순수 수동 RIS 시스템에서 어려운 정확하고 효율적인 채널 추정 및 위치 추정을 가능하게 한다.
• 제안된 고정형 및 동적 HR-RIS 아키텍처는 실시간 응용에 적합한 성능, 복잡도 및 적응 가능성 간 실용적인 트레이드오프를 제공한다.
• 기지국, 이동국 및 HR-RIS의 빔포밍을 공동 최적화하는 것이 활성 빔포밍 이득을 극대화하기 위해 필수적이지만, 이는 높은 계산 복잡도를 수반한다.
• AI 기반 솔루션은 복잡한 HR-RIS 최적화 문제에 대해 저지연, 부분 최적 해를 제공하는 데 잠재력을 보이며, 동적 채널에 대한 강인성은 여전히 핵심 과제이다.