[논문 리뷰] Sum Rate Maximization for Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Device-to-Device Communications

Yashuai Cao, Tiejun Lv|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 10.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)를 통한 전력 제어, 수신 beamforming, 그리고 수동 beamforming의 공동 최적화를 제안하여 디바이스 투 디바이스(D2D) 언더레이 셀룰러 네트워크에서의 합성 비트 전송률을 최대화한다. 고정된 위상 이득을 가진 경우 전력 및 beamforming에 대한 폐쇄형 해를 도출하고, RIS 위상 이득에 대해 제곱 변환 기반의 준정적계획화를 적용한 블록 좌표 강하(BCD) 알고리즘을 사용함으로써, 특히 더 많은 RIS 요소와 높은 전송 전력 조건에서 뚜렷한 합성 비트 전송률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this letter, we propose to employ reconfigurable intelligent surfaces (RISs) for enhancing the D2D underlaying system performance. We study the joint power control, receive beamforming, and passive beamforming for RIS assisted D2D underlaying cellular communication systems, which is formulated as a sum rate maximization problem. To address this issue, we develop a block coordinate descent method where uplink power, receive beamformer and refection phase shifts are alternatively optimized. Then, we provide the closed-form solutions for both uplink power and receive beamformer. We further propose a quadratic transform based semi-definite relaxation algorithm to optimize the RIS phase shifts, where the original passive beamforming problem is translated into a separable quadratically constrained quadratic problem. Numerical results demonstrate that the proposed RIS assisted design significantly improves the sum-rate performance.

연구 동기 및 목표

• 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 통합하여 전파 환경을 제어함으로써 D2D 언더레이 셀룰러 네트워크의 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해.
• 동일한 스펙트럼을 공유하는 D2D 사용자와 셀룰러 사용자가 존재하는 RIS 보조 D2D 시스템에서 발생하는 복잡한 간섭 관리 문제를 해결하기 위해.
• 시스템의 합성 비트 전송률을 극대화하기 위해 업링크 전력 할당, 기지국의 수신 beamforming, RIS의 수동 beamforming(위상 이득)을 공동으로 최적화하기 위해.
• RIS 수동 beamforming과 간섭 제약 조건으로 인해 발생하는 비볼록이고 결합된 최적화 문제를 다룰 수 있는 실용적인 알고리즘을 개발하기 위해.
• 실제 전력 및 위상 이득 제약 조건 하에서 최소 SINR 요구사항을 충족하면서 합성 비트 전송률을 극대화하는 RIS의 성능 향상 여부를 평가하기 위해.

제안 방법

• SINR 및 전력 제약 조건 하에서 전송 전력, 수신 beamforming 벡터, RIS 위상 이득의 공동 최적화를 통한 합성 비트 전송률 극대화 문제(P1)를 수립한다.
• 업링크 전력, 수신 beamformer, RIS 위상 이득를 번갈아 가며 최적화하기 위해 블록 좌표 강하(BCD) 방법을 적용한다.
• 고정된 위상 이득 조건 하에서 볼록 최적화 기법을 사용하여 업링크 전력 및 수신 beamformer에 대한 폐쇄형 해를 유도한다.
• 제곱 변환을 통해 비볼록인 RIS 위상 이득 최적화 문제를 분리 가능한 이차 제약 조건이 있는 이차계획문(QCQP)으로 변환한다.
• QCQP 문제를 해결하고 최적의 위상 이득 행렬을 복원하기 위해 준정적계획화(SDR)를 활용한다.
• 최적화 과정 全 주기 동안 단위 노름 수신 beamforming 및 위상 이득 제약 조건(θₙ ∈ [0, 2π))을 만족시키도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공통 대역 간섭이 존재하는 D2D 언더레이 셀룰러 네트워크에서 RIS 보조 수동 beamforming은 합성 비트 전송률에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 SINR 및 전력 제약 조건 하에서 시스템의 합성 비트 전송률을 극대화하기 위한 최적의 전력 제어, 수신 beamforming, RIS 위상 이득의 공동 설계는 어떠한가?
• RQ3 RIS 반사 요소의 수가 합성 비트 전송률 성능 및 간섭 억제 능력에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 전송 전력과 RIS 위치가 제안된 시스템의 구현 가능한 합성 비트 전송률에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 전력, beamforming, RIS 위상 이득의 공동 최적화를 위한 폐쇄형 해와 효율적인 알고리즘이 유도될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 RIS 보조 시스템은 비-RIS 기반 기법 대비 뚜렷한 합성 비트 전송률 향상을 보이며, RIS 요소 수가 증가할수록 성능 향상이 더욱 두드러진다.
• 8개의 RIS 요소와 10 dBW 전송 전력 조건에서 제안된 알고리즘은 베이스라인 기법보다 높은 합성 비트 전송률을 달성하여 RIS가 간섭 관리에 효과적임을 입증한다.
• 합성 비트 전송률 향상은 높은 전송 전력(Pₘ/σ_B²)에 비례하여 증가함을 확인하여, RIS가 전력 제한 조건 하에서도 스펙트럼 효율성을 향상시킴을 확인한다.
• BCD 알고리즘은 효율적으로 수렴하며, 전력 및 beamforming에 대한 폐쇄형 해 도입으로 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 제곱 변환 기반 준정적계획화는 최적의 RIS 위상 이득을 효과적으로 근사함으로써 실용적 구현 가능성을 확보한다.
• 수치 결과는 최적의 전력 할당이 가용 전력 영역의 경계에 위치해 있음을 확인하여, 단조성 및 볼록성 이론 분석의 타당성을 뒷받침한다.