[논문 리뷰] Hybrid Relay-Reflecting Intelligent Surface-Assisted Wireless Communication

Nhan T. Nguyen, Quang‐Doanh Vu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해 수동 반사와 소수의 능동 리레이트 요소를 조합한 하이브리드 리레이팅 인텔리전트 서피스(HR-RIS)를 제안한다. 교차 최적화와 전력 할당을 활용한 동적 HR-RIS 아키텍처는 특히 저전력에서 중간 전력 수준 및 송신기-HR-RIS 간 거리가 클 경우 기존 RIS보다 상당한 SE 및 EE 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has emerged as a cost- and energy-efficient solution to enhance the wireless communication capacity. However, recent studies show that a very large surface is required for a RIS-assisted communication system; otherwise, they may be outperformed by the conventional relay. Furthermore, the performance gain of a RIS can be considerably degraded by hardware impairments such as limited-resolution phase shifters. To overcome those challenges, we propose a novel concept of hybrid relay-reflecting intelligent surface (HR-RIS), in which a single or few elements are deployed with power amplifiers (PAs) to serve as active relays, while the remaining elements only reflect the incident signals. Two architectures are proposed, including the fixed and dynamic HR-RIS. Their coefficient matrices are obtained based on alternating optimization (AO) and power allocation strategies, which enable understanding the fundamental performances of RIS and relaying-based systems with a trade-off between the two. The simulation results show that a significant improvement in both the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) with respect to the conventional RIS-aided system can be attained by the proposed schemes, especially, by the dynamic HR-RIS. In particular, the favorable design and deployment of the HR-RIS are analytically derived and numerically justified.

연구 동기 및 목표

• 저해상도 위상 이동기와 같은 하드웨어 제약 조건으로 인한 성능 저하와 같은 기존 수동 RIS의 한계, 예를 들어 표면 크기 요구 사항이 높다는 점을 해결한다.
• 순수 수동 RIS의 비효율성과 전체 능동 리레이터의 높은 전력 소모 문제를 해결하기 위해 반능동 하이브리드 아키텍처를 도입한다.
• 교차 최적화와 전력 할당을 사용하여 성능과 에너지 효율성의 균형을 고려해 고정형 및 동적 HR-RIS 아키텍처를 설계하고 최적화한다.
• mmWave 및 sub-6 GHz 대역에서 HR-RIS의 최적 배치 조건을 규명하기 위해 RIS 반사 이득과 리레이팅 이득 간의 상호 상관 관계를 조사한다.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 HR-RIS에 소수의 능동 요소를 장착함으로써 기존 RIS 및 능동 리레이팅 대비 상당한 SE 및 EE 향상을 입증한다.

제안 방법

• 일부 요소가 능동(전력 증폭기 장착)이고 나머지는 수동 반사체인 하이브리드 리레이팅 인텔리전트 서피스(HR-RIS)를 제안한다.
• 고정형 HR-RIS(사전 정의된 능동 요소)와 동적 HR-RIS(채널 조건에 따라 동적으로 능동 요소를 선택)의 두 아키텍처를 개발한다.
• 수동 요소의 위상 이동과 능동 요소의 beamforming 벡터를 동시에 최적화하기 위해 교차 최적화(AO)를 사용한다.
• 동적 HR-RIS에서 전송 전력을 능동 요소 간에 분배하기 위해 워터필링 전력 할당을 적용하여 스펙트럼 효율성을 극대화한다.
• 수동 반사와 능동 증폭을 조합한 계수 행렬로 HR-RIS를 모델링하여 신호 처리 및 beamforming 최적화를 통합한다.
• 한정된 해상도 위상 이동기 및 전력 증폭기 제약 조건과 같은 하드웨어 제약 조건을 시스템 모델링 및 성능 평가에 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 능동 리레이팅과 수동 반사를 조합한 하이브리드 아키텍처가 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 측면에서 기존 수동 RIS를 능가할 수 있는가?
• RQ2 능동 요소 수(K)가 HR-RIS의 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 저전력 또는 큰 거리 조건에서 HR-RIS가 수동 RIS보다 가장 뚜렷한 성능 향상을 제공하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 워터필링 전력 할당을 통한 능동 요소의 동적 선택이 고정형 능동 요소 구성에 비해 시스템 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 HR-RIS의 능동 요소 수를 늘릴 경우 전력 소모 증가와 성능 향상 간의 상호 상관 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 저전력 또는 중간 전력 수준일 경우 동적 HR-RIS는 기존 RIS보다 상당히 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 전력 제한 $ P_{\text{a}}^{\text{max}} = -10 $ dBm 조건에서 동적 HR-RIS는 과도한 능동 요소를 비활성화하여 스펙트럼 효율성을 유지하고 전력 소모를 줄이며, 초기 상승 후 총 전력 소모가 감소하는 경향을 보인다.
• 고정형 HR-RIS는 능동 요소 수(K) 증가에 따라 전력 소모가 선형적으로 증가하지만, 동적 HR-RIS는 특히 작은 K 값에서 동일하거나 더 뛰어난 에너지 효율성을 유지한다.
• 작은 K 값에서 조건에 관계없이 $ P_{\text{a}}^{\text{max}} = -10 $ dBm 조건에서도 동적 HR-RIS의 에너지 효율성(EE)은 기존 AO 기반 RIS와 유사하거나 더 뛰어나다.
• 송신기와 HR-RIS 간 거리가 클수록 전송 전력이 제한될 경우 HR-RIS는 가장 뚜렷한 SE 및 EE 향상을 제공한다.
• 해석적 및 수치적 결과는 HR-RIS에 소수의 능동 요소를 장착하는 것이 최적임을 확인하며, K를 늘려도 성능 향상이 보장되지 않으며 전력 소모는 증가함을 시사한다.