[논문 리뷰] Large Intelligent Surfaces for Energy Efficiency in Wireless Communication.

Chongwen Huang, Alessio Zappone외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 55

한 줄 요약

이 논문은 교대 최적화, 그래디언트 디센트, 순차 분수 프로그래밍을 사용하여 전송 전력과 RIS 위상 보정을 공동으로 최적화하여 RIS 기반 다중 사용자 다운링크 통신에 에너지 효율적인 자원 할당을 제안한다. 이 방법은 현실적인 실외 환경에서 기존의 수신 증폭 후 재송신 리레이팅보다 최대 300% 높은 에너지 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

The adoption of a Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) for downlink multi-user communication from a multi-antenna base station is investigated in this paper. We develop energy-efficient designs for both the transmit power allocation and the phase shifts of the surface reflecting elements, subject to individual link budget guarantees for the mobile users. This leads to non-convex design optimization problems for which to tackle we propose two computationally affordable approaches, capitalizing on alternating maximization, gradient descent search, and sequential fractional programming. Specifically, one algorithm employs gradient descent for obtaining the RIS phase coefficients, and fractional programming for optimal transmit power allocation. Instead, the second algorithm employs sequential fractional programming for the optimization of the RIS phase shifts. In addition, a realistic power consumption model for RIS-based systems is presented, and the performance of the proposed methods is analyzed in a realistic outdoor environment. In particular, our results show that the proposed RIS-based resource allocation methods are able to provide up to $300\%$ higher energy efficiency, in comparison with the use of regular multi-antenna amplify-and-forward relaying.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 다운링크 무선 통신 시스템에서 에너지 효율을 향상시키는 데 도전 과제를 해결한다.
• 개별 사용자 데이터율 제약 조건 하에 공동 전송 전력 할당 및 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 위상 보정 최적화를 설계한다.
• RIS 기반 시스템에서 발생하는 비볼록 최적화 문제를 위한 계산 효율적인 알고리즘을 개발한다.
• 실제 실외 전파 모델과 RIS 하드웨어의 전력 소비 모델을 사용하여 제안된 방법을 평가한다.
• 에너지 효율성 측면에서 기존 수신 증폭 후 재송신 리레이팅 대비 RIS 기반 시스템의 우수성을 입증한다.

제안 방법

• 개별 사용자 데이터율(링크 예산) 제약 조건 하에 비볼록 최적화 문제를 공동 전력 및 위상 보정 설계를 위해 수립한다.
• 두 가지 교대 최적화 알고리즘을 제안한다: 하나는 위상 보정에 그래디언트 디센트를, 전력 할당에 분수 프로그래밍을 사용한다.
• RIS 위상 보정을 최적화하면서 전력 할당은 분수 프로그래밍을 통해 유지하는 순차 분수 프로그래밍을 사용한 두 번째 알고리즘을 개발한다.
• 반사 요소의 동적 재구성에 대응하는 현실적인 RIS 전력 소비 모델을 통합한다.
• 공동 최적화를 처리 가능한 부분 문제로 분리하기 위해 교대 최대화를 적용한다.
• 비볼록성을 다루기 위해 RIS 위상 보정 최적화를 반복적으로 분수 부분 문제를 해결하는 순차 분수 프로그래밍을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전송 전력과 RIS 위상 보정을 공동으로 최적화하면 다중 사용자 다운링크 시스템에서 에너지 효율성이 크게 향상되는가?
• RQ2 비볼록 RIS 최적화 문제를 해결할 때 그래디언트 디센트와 순차 분수 프로그래밍은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 제안된 RIS 기반 설계가 기존 수신 증폭 후 재송신 리레이팅 대비 에너지 효율성에서 어느 정도 뛰어나게 되는가?
• RQ4 실제 RIS 전력 소모 모델은 전체 시스템의 에너지 효율성과 최적화 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 개별 사용자 데이터율 제약 조건을 보장할 경우 에너지 효율성 향상의 가능성이 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 RIS 기반 자원 할당 방법은 기존 다중 안테나 수신 증폭 후 재송신 리레이팅 대비 최대 300% 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• 위상 보정 최적화에 그래디언트 디센트를 사용하고 전력 할당에 분수 프로그래밍을 적용하면 계산 효율적이고 효과적인 해법을 얻을 수 있다.
• 순차 분수 프로그래밍은 수렴 성질이 뛰어나 위상 보정 최적화를 위한 대안적이고 효과적인 접근법을 제공한다.
• RIS 하드웨어의 현실적인 전력 소비 모델은 동적 재구성 비용을 고려할 때도 RIS 기반 시스템이 여전히 매우 에너지 효율적임을 확인한다.
• 성능 향상은 항상 현실적인 실외 전파 환경에서 관찰되어 제안된 방법의 실용적 관련성을 입증한다.
• 공동 최적화 프레임워크는 시스템 에너지 효율성을 최대화하면서도 개별 사용자 데이터율(링크 예산) 보장을 성공적으로 이행한다.