[논문 리뷰] Stacked Intelligent Metasurfaces for Multiuser Downlink Beamforming in the Wave Domain

Jiancheng An, Marco Di Renzo외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 06.

Antenna Design and Analysis인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 파장 영역에서 다중 사용자 다운링크 beamforming을 위한 스택형 지능형 메타면체(SIM)를 제안하며, 기존의 디지털 beamforming을 재구성 가능한 파면 조작으로 대체한다. 여러 메타면체 층에서 전력 할당과 이산적 위상 이격을 공동 최적화함으로써 SIM은 전통적인 MISO 시스템 대비 200%의 합산 속도 향상을 달성하면서도 고복잡도 디지털 처리와 DACs를 제거한다.

ABSTRACT

Intelligent metasurface has recently emerged as a promising technology that enables the customization of wireless environments by harnessing large numbers of low-cost reconfigurable scattering elements. However, prior studies have predominantly focused on single-layer metasurfaces, which have limitations in terms of wave-domain processing capabilities due to practical hardware limitations. In contrast, this paper introduces a novel stacked intelligent metasurface (SIM) design. Specifically, we investigate the integration of SIM into the downlink of a multiuser multiple-input single-output (MISO) communication system, where an SIM, consisting of a multilayer metasurface structure, is deployed at the base station (BS) to facilitate transmit beamforming in the electromagnetic wave domain. This eliminates the need for conventional digital beamforming and high-resolution digital-to-analog converters at the BS. To this end, an optimization problem is formulated to maximize the sum rate of all user equipments by jointly optimizing the transmit power allocation at the BS and the wave-based beamforming at the SIM, subject to constraints on the transmit power budget and discrete phase shifts. Furthermore, we propose a computationally efficient algorithm for solving the formulated joint optimization problem and elaborate on the potential benefits of employing SIM in wireless networks. Numerical results are illustrated to corroborate the effectiveness of the proposed SIM-enabled wave-based beamforming design and to evaluate the performance improvement achieved by the proposed algorithm compared to various benchmark schemes. It is demonstrated that considering the same number of transmit antennas, the proposed SIM-based system achieves about 200\% improvement in terms of sum rate compared to conventional MISO systems. The code for this paper is available at \url{https://github.com/JianchengAn}.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 MIMO 시스템에서 단일 층 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)의 beamforming 정확도 부족과 하드웨어 복잡도 문제를 해결하기 위해.
• 스택형 메타면체를 통한 파기반 계산으로 디지털 beamforming을 대체하여 에너지 효율적이고 고용량의 다운링크 통신을 가능하게 하기 위해.
• 전력 및 하드웨어 제약 조건 하에서 전송 전력 할당과 다중 메타면체 층 간 이산적 위상 이격을 공동 최적화하여 합산 속도를 극대화하기 위해.
• 실제 에너지 제약이 있는 무선 네트워크에서 SIM 기반 파장 기반 beamforming의 실현 가능성과 성능 향상을 입증하기 위해.

제안 방법

• 기지국에 통합된 다층 스택형 지능형 메타면체(SIM) 구조를 설계하여 전자파를 직접 파장 영역에서 형상화한다.
• 모든 메타면체 층이 가변 스캐터링 요소를 통해 입사 신호에 이산적 위상 이격를 적용하는 방식으로, 시스템을 다중 사용자 MISO 다운링크로 모델링한다.
• 전력 및 위상 양자화 제약 조건 하에서 전송 전력과 SIM 위상 이격를 동시에 조정하여 합산 속도를 극대화하는 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 투영된 경사상승법과 순차적 정밀화를 조합한 계산 효율적인 알고리즘을 개발한다.
• 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 민감도를 기반으로 이산적 위상 이격 갱신을 위한 반복적 업데이트를 가능하게 하기 위해 복소도함수 규칙을 활용한 폐쇄형 도함수 표현을 도출한다.
• 각 층이 파면 형상 조절에 기여하는 하이브리드 설계를 채택하여 간섭 제거 및 빔 직접성 향상을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스택형 지능형 메타면체(SIM) 아키텍처가 다중 사용자 다운링크 beamforming에서 더 복잡한 파면 형상 조절을 가능하게 하여 단일 층 RIS를 초월하는 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SIM을 통한 파장 기반 beamforming은 고해상도 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 및 디지털 beamforming 하드웨어의 필요성을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 메타면체 층 수가 성취 가능한 합산 속도와 간섭 제거 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SIM 기반 시스템에서 이산적 위상 이격(예: 4비트 해상도)과 연속적 위상 제어 간의 성능 격은 어느 정도인가?
• RQ5 제안된 전력 할당 및 위상 이격 공동 최적화는 스펙트럼 효율 측면에서 기존의 MISO beamforming에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 SIM 기반 시스템은 동일한 수의 전송 안테나를 가진 기존 MISO 시스템 대비 약 200% 높은 합산 속도를 달성한다.
• 최적의 성능은 일곱 개의 스택형 메타면체 층에서 달성되며, 층 수 증가가 간섭 제거 및 빔 직접성 향상에 기여함을 입증한다.
• 위상 이격기당 4비트 이상의 양자화 비트 수를 초과하면 이산적 SIM의 성능이 연속적 위상 제어 이상의 이상적인 경우와 거의 구분되지 않는다.
• 공동 최적화 알고리즘이 기존의 디지털 beamforming 및 고정 위상 RIS 설계와 같은 벤치마크 기법보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보인다.
• 파기반 beamforming 접근법은 기지국에서 고복잡도 디지털 beamformer와 고해상도 DACs의 필요성을 제거한다.
• 이론적 분석을 통해 각 위상 이격에 대한 합산 속도의 도함수는 복소도함수 규칙을 통해 효율적으로 계산 가능하며, 실용적인 반복 최적화를 가능하게 한다.