[논문 리뷰] Passive Beamforming and Information Transfer Design for Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided Multiuser MIMO Systems

Wenjing Yan, Xiaojun Yuan외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 26인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능 지능 표면(RIS) 기반 다중 사용자 MIMO 시스템을 위한 수동 범프링 및 정보 전송(PBIT) 기법을 제안한다. 여기서 RIS는 위상 이동을 통한 범프링을 통해 통신을 향상시키면서 동시에 반사 요소의 on-off 상태를 통해 데이터를 동시에 전송한다. 근사 평균 표본(SAA) 기반 반복 알고리즘과 터보 메시지 전달(TMP) 수신기 설계가 공동 최적화된 범프링과 변조된 신호를 탐지하기 위해 개발되어, 낮은 복잡도로 near-optimal 성능을 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates the passive beamforming and information transfer (PBIT) technique for the multiuser multiple-input multiple-output (MIMO) systems with the aid of a reconfigurable intelligent surface (RIS), where the RIS enhances the primary communication via passive beamforming and at the same time delivers additional information by the spatial modulation (which adjusts the on-off states of the reflecting elements). For the passive beamforming design, we propose to maximize the sum channel capacity of the RIS-aided multiuser MIMO channel and formulate the problem as a two-step stochastic program. A sample average approximation (SAA) based iterative algorithm is developed for the efficient passive beamforming design of the considered scheme. To strike a balance between complexity and performance, we then propose a simplified beamforming algorithm by approximating the stochastic program as a deterministic alternating optimization problem. For the receiver design, the signal detection at the receiver is a bilinear estimation problem since the RIS information is multiplicatively modulated onto the reflected signals of the reflecting elements. To solve this bilinear estimation problem, we develop a turbo message passing (TMP) algorithm in which the factor graph associated with the problem is divided into two modules: one for the estimation of the user signals and the other for the estimation of the RIS's on-off states. The two modules are executed iteratively to yield a near-optimal low-complexity solution. Furthermore, we extend the design of the multiuser MIMO PBIT scheme from single-RIS to multi-RIS, by leveraging the similarity between the single-RIS and multi-RIS system models. Extensive simulation results are provided to demonstrate the advantages of our passive beamforming and receiver designs.

연구 동기 및 목표

• RIS 보조 다중 사용자 MIMO 시스템에서 동시에 수동 범프링과 정보 전송을 구현하는 데 도전 과제를 해결한다.
• RIS 보조 MIMO 채널의 합 채널 용량을 최대화하는 수동 범프링 전략을 설계한다.
• 이중선형 변조 하에서 사용자 신호와 RIS on-off 상태를 동시에 탐지할 수 있는 저복잡도 수신기를 개발한다.
• 시스템 모델의 구조적 유사성을 활용하여 단일 RIS PBIT 설계를 다중 RIS 시나리오로 확장한다.
• 스토크래틱 범프링 최적화의 결정적 근사화를 통해 성능와 복잡도를 균형 있게 조절한다.

제안 방법

• 합 채널 용량을 최대화하기 위해 수동 범프링 설계를 이중 스텝 스토케스틱 프로그램으로 수립하고, 표본 평균 근사(SAA) 기반 반복 알고리즘으로 해결한다.
• 스토케스틱 프로그램을 결정적 교대 최적화 문제로 근사하여 복잡도를 감소시키기 위해 단순화된 범프링 알고리즘을 제안한다.
• RIS 보조 MIMO 시스템을 RIS 정보가 반사 신호에 곱셈적으로 변조되는 이중선형 추정 문제로 모델링한다.
• 사용자 신호 추정과 RIS on-off 상태 탐지의 두 반복 모듈을 갖는 터보 메시지 전달(TMP) 알고리즘을 개발한다.
• 요소 그래프 분해를 활용하여 신호 추정 모듈과 상태 탐지 모듈 간의 반복적 메시지 교환을 가능하게 하여 near-optimal 탐지 성능을 달성한다.
• 단일 RIS와 다중 RIS 시스템 간의 구조적 유사성을 활용하여 PBIT 설계를 다중 RIS로 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 보조 다중 사용자 MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율을 극대화하기 위해 수동 범프링과 정보 전송을 어떻게 공동 최적화할 수 있는가?
• RQ2 채널 상태 불확실성이 존재하는 상황에서 성능와 계산 비용을 균형 잡는 데 효과적인 저복잡도 범프링 설계는 무엇인가?
• RQ3 곱셈적 RIS 변조로 인해 발생하는 이중선형 추정 문제를 수신기에서 효율적으로 해결하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 단일 RIS PBIT 설계를 성능 손실이 크지 않게 다중 RIS 시나리오로 일반화할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 기존의 전통적 방법에 비해 제안된 SAA 기반 범프링과 TMP 기반 수신기의 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• SAA 기반 반복 알고리즘은 이중 스텝 스토케스틱 범프링 최적화 문제를 효과적으로 해결하여 높은 합 채널 용량을 달성한다.
• 교대 최적화 기반 단순화된 범프링 알고리즘은 성능와 복잡도 사이의 강력한 트레이드오프를 제공하며 SAA 해에 근접한 성능을 보인다.
• 터보 메시지 전달(TMP) 알고리즘은 복잡도를 크게 감소시키면서도 사용자 신호와 RIS on-off 상태의 near-optimal 공동 탐지를 가능하게 한다.
• 제안된 PBIT 기법은 RIS 요소의 공간 변조를 통한 추가 데이터 전송을 가능하게 하여 기존의 RIS 보조 시스템에 비해 상당한 스펙트럼 효율 향상을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 설계가 합률과 비트 오류율 성능 모두에서 벤치마크 기법을 뛰어넘으며, 특히 저SNR 영역에서 두드러진 성능 향상을 보인다.
• 다중 RIS 시스템으로의 확장은 단일 및 다중 RIS 모델 간의 구조적 유사성을 활용하여 성능 이점을 유지한다.