[논문 리뷰] MIMO Interference Channels Assisted by Reconfigurable Intelligent Surfaces: Mutual Coupling Aware Sum-Rate Optimization Based on a Mutual Impedance Channel Model

Andrea Abrardo, Davide Dardari외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 7인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 다수의 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)로 향상된 MIMO 간섭 채널을 위한 상호 커플링 인식(sum-rate) 최적화 알고리즘을 제안한다. 상호 인덕턴스 기반 회로 모델을 사용하여 밀접하게 배열된 RIS 요소 간의 전자기적 상호작용을 모델링한다. 가중 최소 제곱 오차(wMMSE)와 블록 좌표 강하(BCD) 기반의 반복적 알고리즘은 증명 가능하게 수렴하며, 상호 커플링을 고려할 경우 특히 하위 파장(sub-wavelength) RIS 구성에서 합성 속도(sum-rate) 향상이 뚜렷하게 나타남을 보여준다.

ABSTRACT

We investigate a multi-user multiple-input multiple-output interference network in the presence of multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs). The entire system is described by using a circuit-based model for the transmitters, receivers, and RISs. This is obtained by leveraging the electromagnetic tool of mutual impedances, which accounts for the signal propagation and the mutual coupling among closely-spaced scattering elements. An iterative and provably convergent optimization algorithm that maximizes the sum-rate of RIS-assisted multi-user interference channels is introduced. Numerical results show that the sum-rate is enhanced if the mutual coupling among the elements of the RISs is accounted for at the optimization stage.

연구 동기 및 목표

• 밀접하게 배열된 RIS 요소 간의 상호 커플링을 고려한 전자기적 준수 모델이 부족한 RIS 보조 MIMO 간섭 채널 문제를 해결하기 위해.
• 다중 RIS, 다중 사용자 MIMO 시스템에서 상호 커플링 영향을 고려하면서도 증명 가능한 수렴성을 확보한 최적화 알고리즘을 개발하기 위해.
• 기존 방법이 이를 忽略하는 것과 대비하여 상호 커플링을 설계 과정에 포함했을 때의 성능 향상을 입증하기 위해.
• RIS 보조 네트워워크의 신호 전파 및 전자기적 상호작용을 정확하게 표현하는 회로 기반 상호 인덕턴스 채널 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 송신기, 수신기 및 RIS 요소 간의 전자기적 상호작용을 포괄하는 상호 인덕턴스 기반 회로 프레임워크를 사용하여 시스템을 모델링한다.
• 종단 간 채널 행렬은 전압 발생기 및 부하 임피던스 관계로부터 유도되며, 상호 인덕턴스 행렬을 통해 상호 커플링을 통합한다.
• 가중 최소 제곱 오차(wMMSE)와 블록 좌표 강하(BCD) 기반의 반복적 알고리즘을 제안하여 선형 전방향 행렬과 RIS 반사 계수를 동시에 최적화한다.
• 알고리즘은 전방향 행렬 최적화와 RIS 위상 조절 최적화를 번갈아 수행하며, wMSE 비용 함수의 비증가 성질에 의해 수렴이 보장된다.
• 상호 커플링 행렬은 [2, Lemma 2]의 해석적 표현식을 사용하여 계산되며, 채널 모델의 전자기적 준수를 확보한다.
• 최적화 프레임워크는 다중 RIS, 다중 사용자 MIMO 환경에서 모든 송수신기 쌍 간의 간섭을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀접하게 배열된 RIS 요소 간의 상호 커플링이 MIMO 간섭 채널에서 합성 속도 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 기존 모델과 대비하여 상호 인덕턴스 기반 채널 모델이 RIS 보조 시스템 최적화의 정확도를 향상시키는가?
• RQ3 RIS 최적화 과정에서 상호 커플링을 忽略할 경우 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 RIS 요소 수와 요소 간 거리가 상호 커플링 인식의 성능 향상에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 제안된 반복적 알고리즘이 안정된 해로 수렴하는가? 그리고 커플링을 忽略하는 불일치 설계와 비교해 볼 때 성능는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 증명 가능한 수렴성을 확보하며, 가중 평균 제곱 오차(wMSE)는 반복 과정에서 단조 감소하고 합성 속도(sum-rate)는 비감소하는 경향을 보인다.
• 최적화 과정에서 상호 커플링을 고려할 경우 합성 속도가 증가하며, 특히 요소 간 거리 ≤ λ/16인 하위 파장 RIS 구성에서 뚜렷한 향상이 나타난다.
• 요소 간 거리 d = λ/16일 경우, 상호 커플링을 설계에 포함시킬 경우 성능 향상이 뚜렷하며, 요소 수를 늘려도 이를 완전히 상쇄하지 못한다.
• 알고리즘은 간섭을 받는 수신기 쪽으로 어레이 패턴의 노드를 형성하도록 RIS를 설정함으로써 간섭 제거를 통한 빔포밍 이득을 확인한다.
• 최적화된 RIS의 등가 어레이 패턴(AF)은 간섭을 받는 수신기 방향으로 노드가 정렬되어 있으며, 이는 알고리즘이 간섭을 억제하는 능력을 검증한다.
• 수치 결과는 상호 커플링 무시 설계(MCU)가 상호 커플링 인식 설계(MCA)에 비해 성능 열화를 겪는다는 것을 보여주며, 특히 요소 간 거리가 작을수록 두드러진다.