[논문 리뷰] Joint Reflecting and Precoding Designs for SER Minimization in Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted MIMO Systems

Jia Ye, Shuaishuai Guo외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 47인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 유한한 알파벳 입력을 가진 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS)-보조 MIMO 시스템에서 심볼 오류율(SER)을 최소화하기 위해 동시 반사 및 프리코딩 설계를 제안한다. 새로운 알고리즘인 eMSER-Reflecting, vMSER-Reflecting, MSER-Precoding, 및 MMED-Precoding를 사용하여 RIS의 위상 이완과 프리코더 행렬을 번갈아 최적화함으로써, 특히 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 상황에서 저복잡도로도 기존 방법보다 뚜렷한 SER 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates the use of a reconfigurable intelligent surface (RIS) to aid point-to-point multi-data-stream multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications. With practical finite alphabet input, the reflecting elements at the RIS and the precoder at the transmitter are alternatively optimized to minimize the symbol error rate (MSER). In the reflecting optimization with a fixed precoder, two reflecting design methods are developed, referred as eMSER-Reflecting and vMSER-Reflecting. In the optimization of the precoding matrix with a fixed reflecting pattern, the matrix optimization is transformed to be a vector optimization problem and two methods are proposed to solve it, which are referred as MSER-Precoding and MMED-Precoding. The superiority of the proposed designs is investigated by simulations. Simulation results demonstrate that the proposed reflecting and precoding designs can offer a lower SER than existing designs with the assumption of complex Gaussian input. Moreover, we compare RIS with a full-duplex Amplify-and-Forward (AF) relay system in terms of SER to show the advantage of RIS.

연구 동기 및 목표

• 실제 유한 알파벳 입력을 고려한 RIS 보조 MIMO 시스템에서 심볼 오류율(SER)을 최소화하는 문제를 다루기.
• 이전 설계들이 복잡한 가우시안 입력을 가정하는 데서 비롯되는 제약을 해결하기 위해 실제 세계의 신호 복소도를 반영하지 못하는 점을 보완하기.
• 부정확한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 RIS 위상 이완과 프리코더 행렬을 공동으로 최적화하기 위한 저복잡도이자 강건한 최적화 프레임워크 개발.
• 에너지 효율성과 함께 SER 측면에서 전체 이중성 수신기(AF) 리레이팅보다 RIS가 우월함을 입증하기.
• 실제 하드웨어 제약 조건과 불완전한 CSI 하에서 반사 및 프리코딩 설계 간의 성능 트레이드오��� 분석하기.

제안 방법

• 고정된 프리코더를 가진 상태에서 SER를 최소화하기 위해 반복적 위상 조정을 통한 RIS 위상 이완 최적화를 위한 eMSER-Reflecting 및 vMSER-Reflecting 제안.
• 계산 복잡도를 감소시키기 위해 프리코더 행렬 최적화 문제를 벡터 최적화 문제로 변환.
• 특이값 분해 및 고유벡터 기반 빔포밍을 활용해 RIS 유도 채널 응답과 일치시키는 MSER-Precoding 및 MMED-Precoding를 통한 프리코더 설계 제안.
• 반복적으로 RIS 위상 이완과 프리코더 행렬을 공동으로 개선하기 위해 교대 최적화 프레임워크 적용.
• 전력 제약 하에서 근사 최적 해를 도출하기 위해 정규화된 준정방행렬 프로그래밍(SDP) 및 고유분해 기법 활용.
• 채널 행렬에 복소수 가우시안 노이즈를 추가하여 불완전한 CSI 모델링을 통한 강건성 평가 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한 알파벳 입력을 가진 RIS 보조 MIMO 시스템에서 동시 반사 및 프리코딩 설계는 어떻게 심볼 오류율(SER)을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 RIS 위상 이완 설계와 프리코더 설계 중 어느 것이 SER 성능에 더 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 알고리즘은 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 RIS 보조 시스템은 SER 및 에너지 효율성 측면에서 전체 이중성 수신기(AF) 리레이팅 시스템을 초월할 수 있는가?
• RQ5 RIS 보조 시스템에서 반사 요소 수를 늘릴 경우 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• σ²ₑ = 0.1일 때 완벽한 CSI 하에서 랜덤 공동 설계 대비 vMSER-MMED 방식이 약 10–15 dB의 SER 향상을 달성한다.
• σ²ₑ = 0.3일 때 랜덤 설계 대비 vMSER-MMED 방식이 약 5–6 dB의 SER 향상을 보이며, CSI 불완전성에 대한 강건성을 입증한다.
• 불완전한 CSI 하에서 낮은 SNR에서는 SDP-Eigen 방식보다 2–3 dB, 높은 SNR에서는 6–7 dB 더 우수한 성능을 기록한다.
• RIS에 10개의 추가 반사 요소를 장착하면 약 7–8 dB의 SER 향상이 발생하여 노이즈가 없는 AF 리레이팅 시스템에 가까운 성능을 달성한다.
• 리레이터 노이즈가 증가할수록 RIS와 AF 리레이팅 시스템 간의 SER 성능 격차가 좁아지지만, 요소 수가 많을수록 여전히 RIS가 AF 리레이팅을 능가한다.
• 특히 이산 입력 복소도를 가진 시스템에서 반사 설계가 프리코딩 설계보다 SER 최소화에 더 중요한 역할을 한다.