[논문 리뷰] On the Achievable Sum-rate of the RIS-aided MIMO Broadcast Channel

Nemanja Stefan Perović, Le‐Nam Tran외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 25.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 BC-MAC 이중성에 기반하여 사용자의 공분산 행렬과 RIS의 위상 보정을 함께 최적화함으로써 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)를 활용한 MIMO 브로드캐스트 채널에서의 가용합률을 최대화하기 위해 교대 최적화(AO) 알고리즘을 제안한다. 이 방법은 직접 링크와 사용자/안테나 수가 증가할수록 뚜렷한 합률 향상을 보이며, 이중 분해와 위상 최적화를 통해 공분산 행렬과 위상 보정에 대한 닫힌 형태의 해를 얻음으로써 계산 효율성을 확보한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) represent a new technology that can shape the radio wave propagation and thus offers a great variety of possible performance and implementation gains. Motivated by this, we investigate the achievable sum-rate optimization in a broadcast channel (BC) that is equipped with an RIS. We exploit the well-known duality between the Gaussian multiple-input multiple-output (MIMO) BC and multiple-access channel (MAC) to derive an alternating optimization (AO) algorithm which optimizes the users' covariance matrices and the RIS phase shifts in the dual MAC. The optimal users' covariance matrices are obtained by a dual decomposition method in which each iteration is solved in closed-form. The optimal RIS phase shifts are also computed using a derived closed-form expression. Furthermore, we present a computational complexity analysis for the proposed AO algorithm. Simulation results show that the proposed AO algorithm can provide significant achievable sum-rate gains in a BC.

연구 동기 및 목표

• 사용자 프리코딩과 RIS 위상 보정을 공동으로 최적화함으로써 RIS를 보조로 사용하는 MIMO 브로드캐스트 채널에서의 가용합률을 최대화하는 데 도전하는 것.
• 유명한 가우시안 MIMO BC-MAC 이중성의 특성을 활용하여 합률 최대화 문제를 더 다룰 수 있는 이중 다중접속 채널(MAC) 프레임워크로 변환하는 것.
• 이중 MAC 도메인에서 사용자 공분산 행렬과 RIS 위상 보정을 번갈아가며 최적화하는 반복적 AO 알고리즘을 개발하는 것.
• 계산 효율성을 보장하기 위해 최적의 사용자 공분산 행렬과 최적의 RIS 위상 보정에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하는 것.
• 복소수 곱셈의 수를 기준으로 제안된 AO 알고리즘의 계산 복잡도를 분석하는 것.

제안 방법

• MIMO 브로드캐스트 채널의 합률 최대화 문제를 이중 다중접속 채널(MAC) 형태로 재구성하기 위해 BC-MAC 이중성을 활용한다.
• 각 반복에서 이중 분해를 적용하여 최적의 사용자 공분산 행렬을 계산하며, 이중 문제를 닫힌 형태로 해결한다.
• 이중 MAC 구조와 채널 상태 정보를 기반으로 최적의 RIS 위상 보정에 대한 닫힌 형태의 표현식을 도출한다.
• 사용자 공분산 행렬과 RIS 위상 보정을 수렴할 때까지 번갈아가며 업데이트하는 교대 최적화(AO) 프레임워크를 구현한다.
• 각 반복에서 필요한 복소수 곱셈의 수를 세어 계산 복잡도를 분석함으로써 확장 가능한 성능 지표를 제공한다.
• 다중 안테나 기지국, 다수의 단일 안테나 사용자, 위상 보정이 가능한 대규모 RIS를 포함하는 시스템 모델을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자 프리코딩과 RIS 위상 보정을 공동으로 최적화하는 RIS를 보조로 사용하는 MIMO 브로드캐스트 채널에서의 가용합률을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 BC-MAC 이중성이 효과적으로 활용되어 합률 최대화 문제를 더 다룰 수 있는 이중 MAC 프레임워크로 변환될 수 있는가?
• RQ3 이중 MAC 도메인에서 최적의 사용자 공분산 행렬과 최적의 RIS 위상 보정에 대한 닫힌 형태의 해는 무엇이 있는가?
• RQ4 직접 링크의 존재가 RIS를 보조로 사용하는 MIMO BC 시스템에서의 가용합률 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 AO 알고리즘의 계산 복잡도는 복소수 곱셈의 수로 어떻게 측정되는가?

주요 결과

• 제안된 AO 알고리즘은 직접 링크가 존재할 경우 특히 뚜렷한 합률 향상을 보인다.
• 사용자 수와 전송 안테나 수가 증가할수록 합률이 증가하지만, K ≥ 4일 경우 채널 행렬의 질서 포화로 인해 이득이 감소한다.
• 6명의 사용자와 2개의 전송 안테나를 가진 경우, RIS를 추가함으로써 직접 링크만 존재하는 경우 대비 가용합률이 99% 증가한다.
• 가용합률 곡선은 전송 안테나 수에 대해 약간의 로그 성장을 보인다.
• 알고리즘의 계산 복잡도는 복소수 곱셈의 수로 분석적으로 측정되어 확장성 평가가 가능하다.
• RIS의 진폭 제어 기능 부재로 인해 간섭 억제가 제한되어, 직접 링크가 합률 향상에 더 효과적이다.