[논문 리뷰] Joint Hybrid and Passive RIS-Assisted Beamforming for MmWave MIMO Systems Relying on Dynamically Configured Subarrays

Chenghao Feng, Wenqian Shen외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 동적 서브연결 구조와 쌍생해상도 위상 시프터를 갖춘 하이브리드 및 수동 RIS를 활용한 mmWave MIMO 시스템을 위한 공동 하이브리드 및 수동 RIS 보상 설계 프레임워크를 제안한다. 유도적 간섭 제거(SIC)와 복소원형 다양체(CCM) 기반 최적화를 활용하여, 스펙트럼 효율을 극대화하면서 하드웨어 복잡도와 전력 소비를 줄이는 동시에, 완전 고해상도 또는 저해상도 대비 유리한 대역폭 효율성과 에너지 효율성의 상호보완적 균형을 달성한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted millimeter-wave (mmWave) communication systems relying on hybrid beamforming structures are capable of achieving high spectral efficiency at a low hardware complexity and low power consumption. In this paper, we propose an RIS-assisted mmWave point-to-point system relying on dynamically configured sub-array connected hybrid beamforming structures. More explicitly, an energy-efficient analog beamformer relying on twin-resolution phase shifters is proposed. Then, we conceive a successive interference cancelation (SIC) based method for jointly designing the hybrid beamforming matrix of the base station (BS) and the passive beamforming matrix of the RIS. Specifically, the associated bandwidth-efficiency maximization problem is transformed into a series of sub-problems, where the sub-array of phase shifters and RIS elements are jointly optimized for maximizing each sub-array's rate. Furthermore, a greedy method is proposed for determining the phase shifter configuration of each sub-array. We then propose to update the RIS elements relying on a complex circle manifold (CCM)-based method. The proposed dynamic sub-connected structure as well as the proposed joint hybrid and passive beamforming method strikes an attractive trade-off between the bandwidth efficiency and power consumption. Our simulation results demonstrate the superiority of the proposed method compared to its traditional counterparts.

연구 동기 및 목표

• 고대역폭 시스템에서 전통적인 완전 디지털 mmWave 보상 설계의 높은 하드웨어 비용과 전력 소비 문제를 해결하기 위해.
• 고정 서브연결 하이브리드 보상 설계의 한계를 극복하기 위해 동적 서브어레이 구성 구조를 도입하기 위해.
• RIS 보조 mmWave MIMO 시스템에서 높은 스펙트럼 효율성을 유지하면서 아날로그 보상 설계의 복잡도와 전력 소비를 줄이기 위해.
• 베이스 station의 하이브리드 보상 설계와 RIS의 수동 보상 설계를 공동 최적화하여 시스템 성능을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 고해상도 및 저해상도 위상 시프터를 조합한 쌍생해상도 동적 서브연결 아날로그 보상 설계를 제안하여 공간적 이득과 하드웨어 비용의 균형을 이루기 위해.
• 유도적 간섭 제거(SIC) 기반 방법을 개발하여 대역폭 효율 극대화 문제를 각 서브어레이에 대한 부분 문제로 분해하기 위해.
• 각 서브어레이 내에서 송신 안테나와 위상 시프터 간 최적 연결을 결정하기 위해 탐욕 알고리즘을 적용하기 위해.
• RIS 요소의 위상 시프터를 반복적으로 업데이트하기 위해 복소원형 다용체(CCM) 기반 최적화 방법을 활용하기 위해.
• 공동 보상 설계 문제를 서브레ート 극대화 문제의 시퀀스로 변환하여 서브어레이와 RIS에 대해 반복적으로 해결하기 위해.
• RF 체인, 위상 시프터, 스위치, RIS 요소를 고려한 전력 소비 모델을 도입하여 에너지 효율성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 보조 mmWave MIMO 시스템에서 고정 서브연결 또는 완전 디지털 아키텍처 대비 동적 서브연결 하이브리드 보상 설계 아키텍처가 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 RIS를 갖춘 mmWave 시스템의 하이브리드 보상 설계 아키텍처에서 고해상도와 저해상도 위상 시프터 간 최적의 상호보완적 균형은 무엇인가?
• RQ3 베이스 스테이션의 하이브리드 보상 설계와 RIS의 수동 보상 설계를 공동 최적화할 경우 시스템의 스펙트럼 효율성과 전력 소비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 유도적 간섭 제거(SIC) 기반 접근법이 확장 가능하고 저복잡도 방식으로 공동 보상 설계 문제를 효과적으로 분해하고 해결할 수 있는가?
• RQ5 RIS 요소 수와 송신 안테나 수의 변화가 달성 가능한 대역폭 및 에너지 효율성 간 상호보완적 균형에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 쌍생해상도 동적 서브연결 아키텍처는 완전 저해상도 서브연결 보상 설계보다 높은 스펙트럼 효율성을 달성하면서도 완전 고해상도 대비 더 뛰어난 에너지 효율성을 유지한다.
• 시스템의 에너지 효율성이 약 30 dBm의 송신 전력에서 최고에 도달하며, 이 시점에서 스펙트럼 효율성의 로그 증가가 전력 소비의 선형 증가를 앞서기 시작한다.
• RIS 요소 수가 16개에서 64개로 증가함에 따라 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성이 향상되지만, 어느 정도 이상에서는 포화 상태에 도달하여 수익 감소 현상이 나타난다.
• 제안된 방법은 전통적인 고정 구조 하이브리드 보상 설계 및 RIS 구성 대비 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간 유리한 상호보완적 균형을 달성한다.
• 탐욕적 위상 시프터 구성 방법은 서브어레이 최적화에서 계산 복잡도를 효과적으로 줄이면서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지한다.
• CCM 기반 RIS 위상 시프터 업데이트 방법은 수동 보상 설계 최적화에서 효율적이고 안정적인 수렴을 가능하게 하여 전체 시스템 성능 향상에 기여한다.