[논문 리뷰] RIS-Aided Angular-Based Hybrid Beamforming Design in mmWave Massive MIMO Systems

İbrahim Yıldırım, Asil Koç외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 맛음 MIMO 시스템에서 CSI 오버헤드를 줄이고 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 각도 기반 하이브리드 beamforming(RIS-AB-HBF) 기법을 제안한다. RF beamforming에 느린 시간 변화 각도 파rameter를 활용하고, 기저대역 처리를 위한 차원이 감소한 효과적 채널을 사용하며, RIS의 위상 조정을 위해 입자 군집 최적화(PSO)를 적용함으로써, 심한 차단 상황에서도 전통적 AB-HBF 대비 최대 25 dB 높은 구현 가능한 속도를 달성하여 신뢰성과 유연성 향상이 뚜렷하게 나타난다.

ABSTRACT

This paper proposes a reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided and angular-based hybrid beamforming (AB-HBF) technique for the millimeter wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems. The proposed RIS-AB-HBF architecture consists of three stages: (i) RF beamformer, (ii) baseband (BB) precoder/combiner, and (iii) RIS phase shift design. First, in order to reduce the number of RF chains and the channel estimation overhead, RF beamformers are designed based on the 3D geometry-based mmWave channel model using slow time-varying angular parameters of the channel. Second, a BB precoder/combiner is designed by exploiting the reduced-size effective channel seen from the BB stages. Then, the phase shifts of the RIS are adjusted to maximize the achievable rate of the system via the nature-inspired particle swarm optimization (PSO) algorithm. Illustrative simulation results demonstrate that the use of RISs in the AB-HBF systems has the potential to provide more promising advantages in terms of reliability and flexibility in system design.

연구 동기 및 목표

• mmWave 맛음 MIMO 시스템에서 높은 하드웨어 비용과 CSI 오버헤드 문제를 해결하기 위해.
• RF beamforming에 느린 시간 변화 각도 파rameter(AoA/AoD)를 활용하여 채널 추정 오버헤드를 감소시키기 위해.
• RIS 반사 기능을 활용하여 LOS 및 비LOS 환경에서 시스템 신뢰성과 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해.
• RF beamformers, 기저대역 프리코더/콤비너, RIS 위상 조정을 동시에 최적화하여 구현 가능한 속도를 최대화하기 위해.
• 어려운 전파 조건에서 PSO 최적화된 RIS 위상 조정이 무작위 또는 일정 위상 조정보다 뛰어난 성능을 보임을 입증하기 위해.

제안 방법

• 느린 시간 변화 각도 파rameter(AoD/AoA)를 활용한 3차원 기하 기반 mmWave 채널 모델을 사용해 RF beamformers를 설계한다.
• 기저대역 단계에서 관측되는 차원이 감소한 효과적 채널을 기반으로 기저대역 프리코더 및 콤비너를 구성한다.
• RIS를 M_I = M_Ix × M_Iy 개체로 구성된 수동 반사 어레이로 모델링하며, 각 요소는 조절 가능한 위상 조정 기능을 가진다.
• 입자 군집 최적화(PSO)를 사용해 RIS 위상 조정 최적화 문제를 구속 조건 없이 속도 최대화 문제로 수식화한다.
• 세 단계를 통합: RF beamformer, 기저대역 프리코더/콤비너, RIS 위상 조정 설계를 하나의 통합 RIS-AB-HBF 아키텍처로 통합한다.
• 직접 경로와 RIS 반사 경로를 모두 포함하는 3단계 시스템 모델을 사용하며, 송신기, 수신기, RIS에 모두 균일 평면 어레이(UPA)를 가정한다.

Figure 1: RIS-assisted hybrid mmWave massive MIMO system model.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS-보조 AB-HBF는 mmWave 맛음 MIMO에서 전통적 하이브리드 beamforming 대비 CSI 오버헤드를 어떻게 줄이는가?
• RQ2 차단이 빈번한 환경에서 PSO 최적화된 RIS 위상 조정은 무작위 또는 일정 위상 조정 대비 어떤 정도의 구현 가능한 속도 향상을 제공하는가?
• RQ3 RIS의 위치(예: 송신기에서의 거리)가 구현 가능한 속도 측면에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 RIS 요소 수(M_I)를 늘릴수록 AB-HBF 시스템의 스펙트럼 효율은 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 직접 Tx-Rx 경로가 차단된 상황에서도 RIS 지원 각도 기반 beamforming은 높은 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• d_TR = 100 m이고 d_1 = 20 m일 경우 PSO 기반 RIS-AB-HBF는 10.47 bps/Hz를 달성하며, d_1 = 100 m로 증가하면 3.24 bps/Hz로 감소하여 RIS 위치에 매우 민감한 것으로 나타났다.
• d_TR = 100 m일 때 직접 경로가 차단된 상황에서 PSO 기반 RIS-AB-HBF는 전통적 AB-HBF 대비 25 dB의 성능 향상을 보였다.
• d_TR를 25 m에서 50 m로 두 배로 늘였을 때 전통적 AB-HBF는 성능이 76.53% 감소하지만, PSO 기반 RIS-AB-HBF는 오직 22.85% 감소에 그쳤다.
• M_I = 100일 경우 PSO 기반 RIS-AB-HBF는 무작위 위상 조정 대비 4.5 dB 향상되었으며, M_I = 10일 경우는 3 dB 향상되었다.
• 일정 위상 RIS 반사도 추가적인 LOS 경로를 생성함으로써 뚜렷한 성능 향상을 보였지만, 더 높은 M_I 값에서는 포화 상태에 이르렀다.
• PSO 최적화된 RIS-AB-HBF 시스템은 모든 벤치마크를 압도하며, 특히 고경로 손실 및 차단 조건에서 동적 위상 최적화 덕분에 뛰어난 성능을 보였다.

Figure 2: Top view of simulation setup for the proposed RIS-aided hybrid MIMO system.