[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces for Energy Efficiency in D2D Communication Network

Shuaiqi Jia, Xiaojun Yuan외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 18.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)를 활용한 디바이스투디바이스(D2D) 네트워크에서 에너지 효율성(EE)을 극대화하기 위해 공동 전력 제어 및 수동 beamforming 최적화 프레임워크를 제안한다. 비볼록 문제를 교차하는 부분문제로 분해하여 RIS의 위상 이동에 대해 분수 프로그래밍, 전력 제어에 대해 Dinkelbach 방법을 적용함으로써 알고리즘은 뚜렷한 EE 향상을 달성하며, 최적의 RIS 크기는 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간의 트레이드오프를 균형 잡는다.

ABSTRACT

In this letter, the joint power control of D2D users and the passive beamforming of reconfigurable intelligent surfaces (RIS) for a RIS-aided device-to-device (D2D) communication network is investigated to maximize energy efficiency. This non-convex optimization problem is divided into two subproblems, which are passive beamforming and power control. The two subproblems are optimized alternately. We first decouple the passive beamforming at RIS based on the Lagrangian dual transform. This problem is solved by using fractional programming. Then we optimize the power control by using the Dinkelbach method. By iteratively solving the two subproblems, we obtain a suboptimal solution for the joint optimization problem. Numerical results have verified the effectiveness of the proposed algorithm, which can significantly improve the energy efficiency of the D2D network.

연구 동기 및 목표

• 운영, 경제적, 환경적 제약 조건으로 인해 차세대 무선 네트워크에서 에너지 효율성 향상의 필요성이 점점 커지고 있음을 고려하여.
• 기존 중계 방식과 전통적인 D2D 시스템의 한계를 극복하기 위해 RIS를 활용하여 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 서비스 품질 및 하드웨어 제약 조건 하에 시스템의 에너지 효율성을 극대화하기 위해 RIS 위상 이동과 D2D 사용자 전송 전력의 공동 최적화 문제를 수립하기 위해.
• 공동 beamforming 및 전력 제어로 인해 발생하는 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 부분최적임에도 불구하고 효율적인 반복 알고리즘을 개발하기 위해.
• RIS 크기, 해상도, 에너지 효율성 간의 상호작용을 평가하여 최적의 시스템 설계 파rameter를 규명하기 위해.

제안 방법

• 비볼록 공동 최적화 문제를 두 개의 교차하는 부분문제로 분해: RIS에서의 수동 beamforming과 D2D 송신기에서의 전력 제어.
• Lagrangian 이중 변환을 적용하여 RIS 위상 이동 최적화를 분리시키며, 분수 프로그래밍을 통해 해결 가능하게 한다.
• Dinkelbach 방법을 사용하여 전력 제어 부분문제를 분수 목표 함수를 처리할 수 있도록 감소형으로 변환한다.
• 수렴할 때까지 두 부분문제를 반복적으로 해결함으로써 공동 최적화 문제의 부분최적 해를 도출한다.
• 전체 전력 소비를 D2D 송신 전력, 회로 전력, RIS 요소 전력(비트 해상도에 따라 달라짐)의 합으로 모델링한다.
• 전력 제어 단계에서 발생하는 DC 문제를 해결하기 위해 차등-볼록(DC) 프로그래밍 접근법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS를 활용한 D2D 통신은 기존 D2D 또는 RIS 미사용 시스템에 비해 시스템의 에너지 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 증가하는 RIS 전력 소비를 고려할 때, RIS 크기(반사 요소 수)와 에너지 효율성 간의 최적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 RIS 위상 이동기의 해상도(비트 깊이)는 시스템의 전체 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 최소 데이터 전송률 제약 조건이 공동 최적화 프레임워크의 실현 가능성과 에너지 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 분수 프로그래밍과 Dinkelbach 방법 기반의 반복 알고리즘이 비볼록 공동 beamforming 및 전력 제어 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 RIS를 활용한 D2D 네트워크에서 전송 전력과 RIS 위상 이동을 공동 최적화함으로써 에너지 효율성을 뚜렷이 향상시킨다.
• RIS 요소 수가 증가함에 따라 에너지 효율성이 증가하다가 최적점에 도달한 후 RIS 전력 소비 증가로 인해 감소한다.
• 고정된 RIS 크기에서 더 높은 위상 이동 해상도(예: 6비트)는 요소당 전력 소비 증가로 인해 낮은 에너지 효율성을 초래한다.
• 최소 전송률 제약 조건 $ R_{ ext{min}} $ 이 증가할수록 에너지 효율성이 낮은 고정된 값으로 안정화되며, 엄격한 전력 및 전송률 제약 조건으로 인해 실패율이 증가한다.
• 고전력 제한($ P_{ ext{max}} $)에 도달하면 에너지 효율성 향상이나 실패율 감소가 더 이상 이루어지지 않으며, 이는 포화점에 도달했음을 시사한다.
• 기준 대비 비교 결과, RIS를 활용한 최적화는 RIS 미사용 전력 제어 및 RIS를 활용한 최적 전력 제어 모두를 초월하여 에너지 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.