[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface-Enhanced OFDM Communications via Delay Adjustable Metasurface

Jiancheng An, Chao Xu외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 18.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 50인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 기반 OFDM 시스템을 위한 지연 조절 가능 메타표면(DAM)을 제안하며, 하위대역 간 다중 경로 성분을 정렬하기 위해 신호 전파 지연을 동적으로 제어할 수 있도록 한다. 전송 전력 할당, 반사 계수, RIS에 의해 유도되는 지연을 함께 최적화하는 교대 최적화 알고리즘을 통해, 하드웨어 결함과 채널 추정 오차가 존재하는 상황에서도 기존의 RIS-OFDM 시스템 대비 최대 70% 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) is a promising technology for establishing spectral- and energy-efficient wireless networks. In this paper, we study RIS-enhanced orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) communications, which generalize the existing RIS-driven context focusing only on frequency-flat channels. Firstly, we introduce the delay adjustable metasurface (DAM) relying on varactor diodes. In contrast to existing reflecting elements, each one in DAM is capable of storing and retrieving the impinging electromagnetic waves upon dynamically controlling its electromagnetically induced transparency (EIT) properties, thus additionally imposing an extra delay onto the reflected incident signals. Secondly, we formulate the rate-maximization problem by jointly optimizing the transmit power allocation and the RIS reflection coefficients as well as the RIS delays. Furthermore, to address the coupling among optimization variables, we propose an efficient algorithm to achieve a high-quality solution for the formulated non-convex design problem by alternately optimizing the transmit power allocation and the RIS reflection pattern, including the reflection coefficients and the delays. Thirdly, to circumvent the high complexity for optimizing the RIS reflection coefficients, we conceive a low-complexity scheme upon aligning the strongest taps of all reflected channels, while ensuring that the maximum delay spread after introducing extra RIS delays does not exceed the length of the cyclic prefix (CP). Finally, simulation results demonstrate that the proposed design significantly improves the OFDM rate performance as well as the RIS's adaptability to wideband signals compared to baseline schemes without employing DAM.

연구 동기 및 목표

• 기존의 위상만 제어하는 RIS의 한계를 극복하기 위해, 변압 다이오드 기반 메타표면에서 전자기 유도 투명도(EIT)를 통해 파장 저장 및 회수를 가능하게 하여, 제어 가능한 신호 지연을 제공하는 새로운 자유도를 도입함으로써 광대역 RIS-OFDM 시스템에서의 빔 스쿼트 효과와 비최적의 다중 경로 정렬 문제를 해결한다.
• 기존의 RIS가 단지 위상 이동만 제어할 수 있는 한계를 극복하기 위해, 변압 다이오드 기반 메타표면에서 전자기 유도 투명도(EIT)를 통해 파장 저장 및 회수를 가능하게 하여, 제어 가능한 신호 지연을 도입한다.
• 전송 전력, RIS 반사 계수, 유도된 지연을 동시에 최적화하는 비볼록적인 전송률 최대화 문제를 수립한다.
• 결합된 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위한 알고리즘을 개발하여, 실용적인 타당성을 유지하면서 성능 향상을 확보한다.
• 실제 구현 환경에서의 하드웨어 결함, 예를 들어 DAM 구성 요소의 전력 감쇠 및 채널 추정 오차에 대한 강건성을 평가한다.

제안 방법

• 변압 다이오드를 사용한 지연 조절 가능 메타표면(DAM)을 제안하여, 전자기적 응답을 동적으로 제어하고 EIT 특성을 통해 가변적인 시간 지연을 유도한다.
• 전송 전력 할당, RIS 반사 계수, RIS에 의해 유도된 지연을 최적화하여 스펙트럼 효율을 극대화하는 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 근사(sequential convex approximation, SCA) 기반의 교대 최적화(Alternating Optimization, AO) 알고리즘을 적용하여 전력 및 RIS 파arameter를 반복적으로 최적화한다.
• 모든 하위대역에서 반사 채널의 가장 강한 터널(tap)을 정렬하면서도 총 지연 스프레드가 순환 전행(CP) 길이를 초과하지 않도록 보장하는 저복잡도 기법을 도입한다.
• 실제 하드웨어 결함을 모델링하기 위해 지수적 전력 감쇠($p_{\text{decay}} = \eta^{\bar{\tau}}$)를 사용하고, 피LOT 기반 DFT 반사 패tern을 통해 채널 추정 오차를 통합한다.
• 모의 기반 평가를 통해 이상적 및 비이상적 조건에서 DAM가 없는 기준 대비 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어 가능한 신호 지연을 갖춘 재구성 가능한 지능형 표면이 기존의 위상만 제어하는 RIS에 비해 OFDM 시스템의 스펙트럼 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 지연 조절 가능 메타표면을 통한 제어 가능한 시간 지연 도입이 광대역 OFDM에서 다중 경로 정렬과 부호 간 간섭(ICI)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최적의 다중 경로 정렬을 위한 RIS 지연 여유와 실질적인 DAM 구성 요소의 전력 감쇠 사이의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 전력 할당, 반사 계수, 지연을 공동으로 최적화하는 것이 하드웨어 결함 상황에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 채널 추정 오차 및 실질적인 구성 요소 제약 조건에 노출되었을 때, 제안된 기법이 성능 향상을 얼마나 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 이론적 조건에서 제안된 DAM 기반 RIS-OFDM 시스템은 기존의 RIS-OFDM 기법 대비 최대 70% 높은 스펙트럼 효율을 달성하며, 고 Rician 계수에서 최대 0.2 b/s/Hz의 전송률 향상을 기록한다.
• 실제 전력 감쇠($\eta = 0.8$) 조건에서도 효과적인 다중 경로 정렬 덕분에 기준 기법 대비 약 0.2 b/s/Hz의 성능 향상을 유지한다.
• 채널 피LOT 전력이 $-10$ dBm이고 $\eta = 0.9$일 경우, 제안된 기법은 가용 전송률을 0.9에서 1.25 b/s/Hz로 향상시켜 비이상적 CSI 조건에서도 40%의 성능 향상을 달성한다.
• Rician 계수가 0 dB일 경우조차도 비-DAM 기법 대비 두 배 이상의 전송률 향상을 유지하여 뚜렷한 성능 우위를 확보한다.
• 최적의 RIS 지연는 다중 경로 간 건설적 정렬을 극대화하고 구성 요소 유도 감쇠로 인한 신호 세기 손실을 최소화하는 데서 발생하는 상호 상충 관계의 균형을 이룬다.
• 가장 강한 터널 정렬 기반 저복잡도 기법은 지연 스프레드가 순환 전행 길이를 초과하지 않도록 보장하면서도 근사 최적 성능을 달성하여 OFDM의 직교성을 유지한다.