[논문 리뷰] Performance Comparison between Reconfigurable Intelligent Surface and Relays: Theoretical Methods and a Perspective from Operator

Qi Gu, Dan Wu외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 28.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 전방향 최적화를 통해 다중 안테나 시스템(MIMO)에서 재구성 가능한 지능형 표 superficies(RIS)와 능동 중계기(FDR/HDR) 간의 공정한 성능 비교를 제안한다. RIS는 HDR에 비해 유사한 스펙트럼 효율을 달성하고 FDR에 비해 뛰어난 에너지 효율성을 보이며, 반사 요소 수를 늘림으로써 성능을 확장 가능하다. 이는 운영자 관점에서 6G 네트워크의 저전력, 유연한 대안이 된다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) is an emerging technique employing metasurface to reflect the signal from the source node to the destination node without consuming any energy. Not only the spectral efficiency but also the energy efficiency can be improved through RIS. Essentially, RIS can be considered as a passive relay between the source and destination node. On the other hand, a relay node in a traditional relay network has to be active, which indicates that it will consume energy when it is relaying the signal or information between the source and destination nodes. In this paper, we compare the performances between RIS and active relay for a general multiple-input multiple-output (MIMO) system. To make the comparison fair and comprehensive, both the performances of RIS and active relay are optimized with best-effort. In terms of the RIS, transmit beamforming and reflecting coefficient at the RIS are jointly optimized so as to maximize the end-to-end throughput. Although the optimization problem is non-convex, it is transformed equivalently to a weighted mean-square error (MSE) minimization problem and an alternating optimization problem is proposed, which can ensure the convergence to a stationary point. In terms of active relay, both half duplex relay (HDR) and full duplex relay (FDR) are considered. End-to-end throughput is maximized via an alternating optimization method. Numerical results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm. Finally, comparisons between RIS and relays are investigated from the perspective of system model, performance, deployment and controlling method.

연구 동기 및 목표

• MIMO 시스템에서 RIS와 능동 중계기(FDR/HDR) 간의 공정하고 종합적인 성능 비교를 수행하기 위해.
• 최적화된 알고리즘을 통해 RIS와 중계기 양자리 모두의 엔드 투 엔드 스루풋을 최대화하기 위해.
• 운영자 관점에서 시스템 모델, 성능, 배치 및 제어 방법을 평가하기 위해.
• 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성, 배치의 유연성 간의 상호 상충 관계를 평가하기 위해.
• RIS가 6G 네트워크에서 능동 중계기의 저전력, 확장 가능한 대안으로서의 실현 가능성과 이점을 입증하기 위해.

제안 방법

• RIS 보조 MIMO 시스템에서 엔드 투 엔드 스루풋 최대화 문제를 비볼록 최적화 문제로 수식화하며, 송신 beamforming과 RIS 반사 계수의 공동 최적화를 포함한다.
• 수렴 보장이 가능한 최적화를 위해 RIS 최적화 문제를 가중 평균 제곱오차(MSE) 최소화 문제로 변환한다.
• 반복 최적화 알고리즘을 적용하여 beamforming과 반사 계수를 공동으로 최적화하고, 정류점에 수렴함을 보장한다.
• 반복 최적화를 동일하게 적용하여 반중계(HDR) 및 전중계(FDR)의 스루풋 최대화를 위해 최적화를 수행한다.
• 3GPP 도시 마이크로(UMi) 경로 손실 모델과 레이일리 fading, 실제 시스템 파rameter(예: 43 dBm 송신 전력, 3 GHz, 100 MHz 대역폭)를 사용한다.
• 모의 실험 기반 평가를 통해 반사 요소 수와 배치 거리 변화에 따른 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIMO 시스템에서 RIS의 엔드 투 엔드 스펙트럼 효율성은 HDR 및 FDR에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ2 실제 배치 제약 조건 하에서 RIS와 능동 중계기 간의 에너지 효율성 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ3 RIS는 와이어드 전원 공급이 필요 없이 중계기와 동일하거나 더 나은 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 반사 요소 수와 배치 위치가 RIS 성능에 끼치는 영향은 중계기 대비 어떻게 나타나는가?
• RQ5 운영자 관점에서 RIS와 중계기 간의 시스템 모델링, 제어 복잡성, 배치의 유연성에서의 주요 차이는 무엇인가?

주요 결과

• RIS는 HDR에 비해 유사한 스펙트럼 효율성을 달성하고, 특히 반사 요소 수가 많을수록 FDR에 비해 뛰어난 에너지 효율성을 보인다.
• 달성 가능한 전송률은 반사 요소 수 증가에 따라 증가하며, 높은 송신 전력(43 dBm)은 스펙트럼 효율성을 더욱 향상시킨다.
• RIS의 에너지 효율성은 매우 높으며, 특히 송신 또는 수신 노드 근처에 설치할 경우 FDR과 유사하거나 뛰어나다.
• FDR이 더 높은 원시 스펙트럼 효율성을 달성하더라도, RIS는 전력 제약 조건 하에서 더 뛰어난 에너지 효율성을 보이며, 이는 RIS의 우월성을 입증한다.
• RIS를 송신 또는 수신 노드 근처(예: d₁ = 50 m)에 설치할 경우 성능 향상이著명하여 최적의 배치 위치를 시사한다.
• RIS는 와이어드 전원이 없이도 수동 또는 반수동 방식으로 설치 가능하여, 필요에 따라 즉각적인 배치가 가능하며, 6G 네트워크의 밀도 증가에 매우 중요하다.