[논문 리뷰] Near-Field Beamforming for STAR-RIS Networks

Haochen Li, Yuanwei Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 26.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스타-리스(star-ris) 보조 다중 사용자 MIMO 시스템을 위한 근거리 빔포밍 프레임워크를 제안하며, 기지국의 액티브 빔포밍과 스타-리스의 전송/반사 계수를 블록 좌표 강하(BCD) 알고리즘을 통해 공동 최적화한다. 결과적으로 근거리 빔포밍은 원거리 방법에 비해 가중합률과 자유도를 크게 향상시키며, PEN 알고리즘이 ELE보다 성능이 뛰어나지만 ELE는 더 낮은 복잡도를 제공한다.

ABSTRACT

Recently, simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) have received significant research interest. The employment of large STAR-RIS and high-frequency signaling inevitably make the near-field propagation dominant in wireless communications. In this work, a STAR-RIS aided near-field multiple-input multiple-multiple (MIMO) communication framework is proposed. A weighted sum rate maximization problem for the joint optimization of the active beamforming at the base station (BS) and the transmission/reflection-coefficients (TRCs) at the STAR-RIS is formulated. The non-convex problem is solved by a block coordinate descent (BCD)-based algorithm. In particular, under given STAR-RIS TRCs, the optimal active beamforming matrices are obtained by solving a convex quadratically constrained quadratic program. For given active beamforming matrices, two algorithms are suggested for optimizing the STAR-RIS TRCs: a penalty-based iterative (PEN) algorithm and an element-wise iterative (ELE) algorithm. The latter algorithm is conceived for STAR-RISs with a large number of elements. Numerical results illustrate that: i) near-field beamforming for STAR-RIS aided MIMO communications significantly improves the achieved weighted sum rate compared with far-field beamforming; ii) the near-field channels facilitated by the STAR-RIS provide enhanced degrees-of-freedom and accessibility for the multi-user MIMO system; and iii) the BCD-PEN algorithm achieves better performance than the BCD-ELE algorithm, while the latter has a significantly lower computational complexity.

연구 동기 및 목표

• 스타-리스 보조 네트워크에서 근거리 전파 특성을 활용하여 다중 사용자 MIMO 시스템의 성능 격차를 해소하기 위해.
• 대규모 고주파 무선 시스템에서의 원거리 가정의 제약을 극복하기 위해.
• 기지국의 액티브 빔포밍과 스타-리스의 전송/반사 계수(TRC)를 공동 최적화하여 시스템 전송률을 향상시키기 위해.
• 근거리 빔포밍 설계에서 발생하는 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위한 알고리즘 개발을 위해.

제안 방법

• 근거리 스타-리스 MIMO 시스템에서 액티브 및 패assing 빔포밍을 위한 가중합률 최대화 문제를 수립한다.
• 비볼록 문제를 가중최소제곱오차(WMMSE) 방법을 사용해 재구성하여 반복 최적화를 가능하게 한다.
• 기지국 빔포밍 행렬과 스타-리스 TRC를 번갈아 최적화하기 위해 블록 좌표 강하(BCD) 프레임워크를 적용한다.
• 고정된 TRC 조건 하에서 최적의 빔포밍 행렬을 구하기 위해 볼록 제약 조건이 있는 이차형식 프로그래밍(QCQP) 문제를 해결한다.
• 대규모 스타-리스를 위해 두 가지 TRC 최적화 알고리즘을 제안한다: 보상 기반 반복(PEN) 방법과 요소별 반복(ELE) 방법.
• ELE 알고리즘은 TRC를 요소 단위로 단계적으로 업데이트하여 계산 복잡도를 감소시키며, PEN은 보상 완화를 통해 높은 성능를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스타-리스 보조 MIMO 시스템에서 근거리 빔포밍은 원거리 빔포밍에 비해 시스템 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 스타-리스 시스템에서 근거리와 원거리 전파 간의 채널 특성에 대한 주요 차이는 무엇인가?
• RQ3 근거리 채널 모델 하에서 액티브 및 패assing 빔포밍을 공동 최적화하여 가중합률을 최대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 대규모 스타-리스에 대한 TRC 최적화 알고리즘에서 성능와 계산 복잡도 사이의 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 근거리 빔포밍은 원거리 빔포밍에 비해 스타-리스 보조 MIMO 시스템의 가중합률을 크게 향상시킨다.
• 근거리 채널은 고랭크의 LOS MIMO 채널 덕분에 향상된 자유도와 향상된 접근성을 제공한다.
• BCD-PEN 알고리즘이 BCD-ELE 알고리즘보다 더 뛰어난 가중합률 성능를 달성한다.
• BCD-ELE 알고리즘은 BCD-PEN에 비해 상당히 낮은 계산 복잡도를 제공하여 대규모 스타-리스 구현에 적합하다.
• 이론적 분석을 통해 WMMSE 재구성 하에서 BCD-PEN 알고리즘이 전역 최적해로 수렴함을 증명하였다.
• 근거리 모델은 각도와 거리 정보를 동시에 활용하여 빔 집중을 가능하게 하여 신호 집중도와 간섭 관리 능력을 향상시킨다.