[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces with Reflection Pattern Modulation: Beamforming Design and Performance Analysis

Shaoe Lin, Beixiong Zheng외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 39인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 반사 패턴 변조(RPM)를 갖춘 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 제안하며, RIS 요소를 ON 및 OFF 상태로 동적으로 전환함으로써 수동 빔포밍과 정보 전송을 동시에 구현한다. 이는 그룹화된 RIS 요소를 통한 공간 변조를 활용함으로써 기존 RIS 시스템보다 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다. 시뮬레이션 결과는 약간의 전력 손실에도 불구하고 향상된 구현 가능한 속도를 보여준다.

ABSTRACT

Recent considerations for reconfigurable intelligent surfaces (RISs) assume that RISs can convey information by reflection without the need of transmit radio frequency chains, which, however, is a challenging task. In this paper, we propose an RIS-enhanced multiple-input single-output system with reflection pattern modulation, where the RIS can configure its reflection state for boosting the received signal power via passive beamforming and simultaneously conveying its own information via reflection. We formulate an optimization problem to maximize the average received signal power by jointly optimizing the active beamforming at the access point (AP) and passive beamforming at the RIS for the case where the RIS's state information is statistically known by the AP, and propose a high-quality suboptimal solution based on the alternating optimization technique. We analyze the asymptotic outage probability of the proposed scheme under Rayleigh fading channels, for which a closed-form expression is derived. The achievable rate of the proposed scheme is also investigated for the case where the transmitted symbol is drawn from a finite constellation. Simulation results validate the effectiveness of the proposed scheme and reveal the effect of various system parameters on the achievable rate performance. It is shown that the proposed scheme outperforms the conventional RIS-assisted system without information transfer in terms of achievable rate performance.

연구 동기 및 목표

• 수신기에서 정보 전송 없이 수동 빔포밍만을 사용하는 기존 RIS 보조 시스템의 스펙트럼 효율성 한계를 해결한다.
• 단위 요소의 ON/OFF 스위칭을 통해 반사 패턴을 변조함으로써 RIS가 자체 정보를 전달할 수 있도록 하여 RIS의 功能을 두 배로 증가시킨다.
• 접근점(AP)에서 통계적 채널 상태 정보를 사용하여 평균 수신 신호 전력이 최대가 되도록 하는 빔포밍 전략을 설계한다.
• 레일리 fading 채널 조건 하에서 제안된 방식의 중단 확률과 구현 가능한 속도를 분석하여 이론적 성능 한계를 제시한다.
• 그룹화 비율, 전송 전력, ON 상태 그룹 수와 같은 시스템 파라미터가 구현 가능한 속도에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• RIS가 요소의 공간적 ON/OFF 패턴을 통해 정보를 인코딩하는 반사 패턴 변조(RPM)를 사용하는 새로운 RIS 향상 MISO 시스템을 제안한다.
• 접근점(AP)의 활성 빔포밍과 RIS의 수동 빔포밍을 동시에 설계하여 평균 수신 신호 전력을 최대화하는 최적화 문제를 수립한다. 이는 통계적 채널 상태 정보를 기반으로 한다.
• 교대 최적화 기반 알고리즘을 개발하여 공동 빔포밍 설계에 대한 고품질의 부분 최적 해를 계산한다.
• 레일리 fading 채널에서의 점점 가까운 중단 확률에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하며, RIS의 위상 이동 최적화를 통해 다중성 이득을 달성할 수 있음을 보여준다.
• 유한한 볼테이션 입력을 고려하여 구현 가능한 속도를 분석하며, AP 및 RIS의 정보 속도를 모두 고려하고, 채널 추정과 데이터 전송 간의 시간 분할을 반영한다.
• 채널 추정 오버헤드를 줄이기 위해 RIS 요소에 그룹화 전략을 도입하며, 그룹 수준의 ON/OFF 패턴을 통해 인덱스 변조를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS는 수동 빔포밍을 통해 신호 전력을 향상시키고, 반사 패턴 변조를 통해 자체 정보를 전송할 수 있도록 설계될 수 있는가?
• RQ2 ON 상태 RIS 요소 그룹의 수가 구현 가능한 속도에 미치는 영향는 어떠한가? 그리고 다양한 전송 전력 수준에서 최적의 구성은 무엇인가?
• RQ3 RIS 요소의 그룹화 비율이 스펙트럼 효율성에 미치는 영향는 무엇이며, 채널 추정 오버헤드와의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 레일리 fading 채널 조건 하에서 제안된 RIS-RPM 방식의 점점 가까운 중단 성능는 어떠한가? 다중성 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ5 특히 유한한 볼테이션 입력 조건에서, RIS-RPM 방식의 구현 가능한 속도는 정보 전송 없이 작동하는 기존 RIS 시스템보다 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 RIS-RPM 방식은 반사 패턴 변조를 통해 정보 전송을 가능하게 하여, 수신 신호 전력이 약간 감소하더라도 기존 RIS 시스템보다 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 최적의 ON 상태 RIS 요소 그룹 수가 존재하며, 이 최적 값은 AP의 전송 전력에 따라 달라진다: $ \bar{K} = 5 $ for $ P_t = 30 $ dBm and $ \bar{K} = 6 $ for $ P_t = 10 $ dBm.
• 높은 그룹화 비율 $ \rho = 1/\bar{L} $ 은 빔포밍에 대한 자유도를 증가시키고 더 많은 인덱스 변조 비트를 가능하게 하여 구현 가능한 속도를 향상시키지만, 채널 추정 오버헤드 $ \xi $ 를 증가시켜 데이터 전송에 할애할 수 있는 시간을 감소시킨다.
• 고전력 전송 조건에서는 구현 가능한 속도가 AP와 RIS의 비코드화된 속도의 합에 수렴하며, 유리한 조건에서는 RIS-RPM 방식이 정보 전송 속도를 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있음을 시사한다.
• 점점 가까운 중단 확률은 닫힌 형태로 유도되었으며, RIS에서 적절한 위상 이동 설계를 통해 다중성 이득을 달성할 수 있음을 보여주며, 페이딩 환경에서의 신뢰성을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 교대 최적화 기반의 제안된 빔포밍 알고리즘이 고품질의 성능을 달성하며, 현실적인 시스템 제약 조건 하에서 RIS-RPM 방식이 기존 RIS 시스템보다 구현 가능한 속도에서 뛰어난 성능을 보임을 확인한다.