[논문 리뷰] Simultaneously Transmitting And Reflecting (STAR) RIS Aided Wireless Communications

Xidong Mu, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 45인용 수 769

한 줄 요약

이 논문은 전체 공간의 무선 신호 조작을 위한 새로운 Simultaneously Transmitting and Reflecting (STAR) Reconfigurable Intelligent Surface (RIS)를 제안하며, 에너지 분할(ES), 모드 전환(MS), 시간 분할(TS)의 세 가지 운영 프로토콜을 도입하여 기지국의 공동 활성빔포밍과 STAR-RIS의 수동빔포밍을 가능하게 한다. 주요 기여는 기지국의 전력 소비가 크게 감소한 것으로, ES 및 TS 프로토콜은 각각 유니캐스트 및 멀티캐스트 시나리오에서 기존 RIS보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

The novel concept of simultaneously transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RISs) is investigated, where the incident wireless signal is divided into transmitted and reflected signals passing into both sides of the space surrounding the surface, thus facilitating a full-space manipulation of signal propagation. Based on the introduced basic signal model of `STAR', three practical operating protocols for STAR-RISs are proposed, namely energy splitting (ES), mode switching (MS), and time switching (TS). Moreover, a STAR-RIS aided downlink communication system is considered for both unicast and multicast transmission, where a multi-antenna base station (BS) sends information to two users, i.e., one on each side of the STAR-RIS. A power consumption minimization problem for the joint optimization of the active beamforming at the BS and the passive transmission and reflection beamforming at the STAR-RIS is formulated for each of the proposed operating protocols, subject to communication rate constraints of the users. For ES, the resulting highly-coupled non-convex optimization problem is solved by an iterative algorithm, which exploits the penalty method and successive convex approximation. Then, the proposed penalty-based iterative algorithm is extended to solve the mixed-integer non-convex optimization problem for MS. For TS, the optimization problem is decomposed into two subproblems, which can be consecutively solved using state-of-the-art algorithms and convex optimization techniques. Finally, our numerical results reveal that: 1) the TS and ES operating protocols are generally preferable for unicast and multicast transmission, respectively; and 2) the required power consumption for both scenarios is significantly reduced by employing the proposed STAR-RIS instead of conventional reflecting/transmiting-only RISs.

연구 동기 및 목표

• 기존 반사 전용 RIS의 한계를 해결하기 위해, 사용자를 표면의 한쪽면에만 국한하는 문제를 해결한다.
• 새로운 STAR-RIS 아키텍처를 통해 동시 전송 및 반사 기능을 허용함으로써 전체 공간의 신호 조작을 가능하게 한다.
• 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성을 균형 잡는 실용적인 운영 프로토콜(ES, MS, TS)을 설계한다.
• 서비스 품질(QoS) 제약 조건 하에 기지국의 전력 소비를 최소화하기 위해 공동 활성빔포밍 및 수동빔포밍 최적화를 수행한다.
• 유니캐스트 및 멀티캐스트 통신 시나리오에서 STAR-RIS를 구현할 때의 성능 통찰력과 설계 지침을 제공한다.

제안 방법

• 입사 신호가 독립적인 전송 및 반사 계수를 통해 전송 및 반사 성분으로 분리되는 STAR-RIS 요소에 대한 기본 신호 모델을 제안한다.
• 에너지 분할(ES), 모드 전환(MS), 시간 분할(TS)의 세 가지 실용적인 운영 프로토콜을 도입하며, 각각 다른 하드웨어 및 신호 전송 제약 조건을 가진다.
• ES의 경우, 비볼록 최적화 문제를 설정하고 순차적 볼록 근사 기법을 사용한 페널티 기반 반복 알고리즘으로 해결한다.
• MS의 경우, 문제의 구조를 활용하여 혼합정수비볼록 최적화 문제를 다룰 수 있도록 페널티 기반 방법을 확장한다.
• TS의 경우, 최적화 문제를 반사 및 전송 단계로 분해하고, 볼록 최적화 및 최신 알고리즘을 사용해 각 하위문제를 해결한다.
• 사용자 데이터율 및 전력 제약 조건 하에 기지국 빔포밍과 STAR-RIS 수동빔포밍의 공동 최적화를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재구성 가능한 지능형 표면은 어떻게 설계되어야 하며, 동시에 신호를 전송하고 반사함으로써 전체 공간의 신호 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성, 구현 복잡성 측면에서 ES, MS, TS 프로토콜 간의 성능 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ3 STAR-RIS 기반 시스템에서 공동 활성빔포밍 및 수동빔포밍 설계는 기존 RIS에 비해 기지국의 전력 소비를 어떻게 줄이는가?
• RQ4 다양한 QoS 요구 조건 하에서, 유니캐스트와 멀티캐스트 전송에 가장 적합한 운영 프로토콜은 ES, MS, 또는 TS 중 무엇인가?
• RQ5 실제 무선 네트워크에 STAR-RIS를 구현할 때의 핵심 설계 지침은 무엇이며, 특히 채널 추정 및 배치 최적화 측면에서 어떤가?

주요 결과

• STAR-RIS는 유니캐스트 및 멀티캐스트 시나리오 양쪽에서 기존 반사 전용 또는 전송 전용 RIS보다 기지국의 전력 소비가 크게 낮아진다.
• 유니캐스트 전송의 경우, 낮은 SIR 요구 조건(γ₀ < 12 dB)에서는 시간 분할(TS) 프로토콜이 다른 프로토콜보다 뛰어나며, 고SIR 조건에서는 지속적인 사용자 서비스를 고려해 에너지 분할(ES)이 우월하다.
• 멀티캐스트 전송의 경우, ES 프로토콜이 가장 뛰어난 성능을 보이며, 시간 분할 오 overhead 없이 두 사용자를 동시에 효율적으로 지원할 수 있다.
• QoS 요구 조건이 높아질수록(TS의 비효율적 시간 할당으로 인해) TS와 다른 프로토콜 간의 성능 격차가 커진다.
• 수치 결과는 STAR-RIS가 에너지 효율성과 시스템 유연성 측면에서 상당한 성능 향상을 제공함을 확인하며, 특히 사용자가 표면 양측에 분포할 경우 두드러진다.
• 논문은 통신 유형과 QoS 제약 조건에 따라 프로토콜 선택의 중요성을 강조하며, 멀티캐스트나 고SIR 유니캐스트에는 ES가 최적이고, 저SIR 유니캐스트에는 TS가 가장 적합하다고 밝힌다.