[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface for MISO Systems with Proportional Rate Constraints

Yulan Gao, Chao Yong외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 20인용 수 43

한 줄 요약

본 논문은 비선형 비례 속도 공정성 아래 RIS-보조 다중 사용자 MISO 시스템에서 BS 전송 전력과 RIS 위상 시프트의 교대 최적화를 통해 스펙트럴 효율을 극대화하고, 기저대비 이득을 보임을 보인다.

ABSTRACT

This paper investigates the system spectral efficiency (SE) in reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided multiuser multiple-input single-output (MISO) systems, where RIS can reconfigure the propagation environment via a large number of controllable and intelligent phase shifters. In order to explore the system SE performance behavior with user proportional fairness for such a system, an optimization problem is formulated to maximize the SE by jointly considering the power allocation at the base station (BS) and phase shift at the RIS, under nonlinear proportional rate fairness constraints. To solve the nonconvex optimization problem, an effective solution is developed, which capitalizes on an iterative algorithm with closed-form expressions, i.e., alternatively optimizing the transmit power at the BS and the reflecting phase shift at the RIS. Numerical simulations are provided to validate the theoretical analysis and assess the performance of the proposed alternative algorithm.

연구 동기 및 목표

• RIS-보조 다중 사용자 MISO 시스템에서 스펙트럴 효율 향상을 동기화한다.
• 비선형 비례 속도 제약을 가진 공동 전력 및 위상 시프트 최적화를 형식화한다.
• 해밀리안 기반의 닫힌 형식 업데이트를 갖춘 교대 최적화 알고리즘을 개발한다.
• 시뮬레이션을 통해 성능 및 공정성 이득을 평가한다.
• 베이스라인 방법과의 비교를 통해 이득을 입증한다.

제안 방법

• BS에서 ZF 전송으로 RIS-보조 시스템 모델링.
• 중간 변수 varphi를 사용하여 비례 공정성 제약 하의 SE 최대화를 재정의한다.
• 방위 위상 최적화 문제를 도출하고 닫힌 형식 업데이트를 가진 라그랑주 이중성을 통해 해결한다.
• RIS 구성 고정 시 최적의 전송 전력 할당을 라그랑지안 이중 변수로부터 도출한다.
• 수렴할 때까지 RIS 위상 시프트와 BS 전력을 번갈아 반복하는 교대 최적화 알고리즘을 제안한다.
• 최적화 단계들을 뒷받침하는 분석적 보조정리/정리를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 사용자 간의 비선형 비례 속도 공정성을 강제하면서 스펙트럴 효율을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 전력 및 위상 제약 하에서 닫힌 형식 업데이트를 가진 교대 최적화가 joint BS 전력 및 RIS 위상 시프트 설계를 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ3 RIS-보조 전송이 임의 위상 시프트 및 비 RIS ZF와 같은 기저대 대비 어떤 성능 이득을 제공하는가?
• RQ4 비례 공정성 제약 하에서 RIS 구성이 전력 할당 및 전체 SE에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 교대 알고리즘은 무작위 위상 시프트 및 비 RIS ZF 기저선 대비 SE 이득을 달성한다.
• 제안된 방법 하에서 RIS 요소 수 N에 따라 SE가 증가한다.
• 적절한 RIS 배치(D 등) 역시 SE에 큰 영향을 미치며, BS 또는 사용자 클러스터에 더 가까울 때 이득이 커진다.
• 제시된 제약 하에서 반복 절차가 거의 최적에 수렴하는 것을 보인다.
• 비선형 속도 비율 제약은 전력 및 위상 시프트 결정에 영향을 주어 SE와 비례 공정성 간의 트레이드를 보여준다.