[논문 리뷰] Sum Rate Maximization in STAR-RIS Assisted Full-Duplex Communication Systems

Pulasthi P. Perera, Vanodhya G. Warnasooriya외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 에너지 분할(ES) 및 모드 전환(MS) 프로토콜 하에서 에너지 분할 및 전송 계수를 최적화하여 스타리스(STAR-RIS) 기반 전반통신(FD) 통신 시스템에서의 합성 비트 전송률 최대화를 제안한다. 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 기법을 사용하여 준최적 해를 도출하였으며, STAR-RIS는 전통적인 RIS 및 하프드플렉스 시스템보다 스펙트럼 효율성을 향상시키며, ES는 MS를 능가하고, 둘 다 중간에서 높은 신호대역비(SNR)에서 기준 대비 우수한 성능을 보인다.

ABSTRACT

The sum-rate performance of simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) assisted full-duplex (FD) communication systems is investigated. The reflection and transmission coefficients of STAR-RIS elements are optimized for the energy splitting and mode switching protocols to maximize the weighted sum rate of the system. The underlying optimization problems are non-convex, and hence, the successive convex approximation technique has been employed to develop efficient algorithms to obtain sub-optimal solutions. Thereby, the maximum average weighted sum rate and corresponding coefficients at the STAR-RIS subject to predefined threshold rates and unit-modulus constraints are quantified. The performance of the proposed system design is compared with the conventional reflecting/transmitting-only RISs and half-duplex counterparts via simulations where it is observed that STAR-RIS can boost the performance of FD systems.

연구 동기 및 목표

• 전통적인 반사 전용 RIS의 커버리지 및 스펙트럼 효율성의 한계를 해결하기 위해 동시에 전송과 반사를 허용하는 STAR-RIS를 도입하여 FD 시스템에서의 성능 향상을 도모한다.
• 전통적 RIS가 사용자들을 동일한 측면에만 배치할 수 있는 기하학적 제약을 해결하기 위해, STAR-RIS를 활용하여 표면의 양측에 있는 사용자를 모두 지원할 수 있도록 한다.
• QoS 비율 제약 조건을 만족시키면서 FD 시스템에서 업링크 및 다운링크 사용자의 가중합성 비트 전송률을 최대화한다.
• 단위 모듈러스 및 전력 임계값 제약 조건을 포함한 현실적인 조건 하에서 STAR-RIS, 전통적 RIS 및 하프드플렉스(HD) 시스템의 성능을 비교한다.

제안 방법

• STAR-RIS를 탑재한 FD 시스템에서 업링크 및 다운링크 사용자의 가중합성 비트 전송률을 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 순차적 볼록 근사(Sequential Convex Approximation, SCA) 기법을 적용하여 비볼록 문제를 반복적으로 볼록 하위문제로 근사함으로써 효율적인 준최적 해 도출을 가능하게 한다.
• 에너지 분할(ES) 프로토콜과 모드 전환(MS) 프로토콜 각각에 대응하는 두 가지 알고리즘을 개발하였으며, 각각 단위 모듈러스 제약 조건 하에서 반사 및 전송 계수를 최적화한다.
• 직접 링크 및 RIS 보조 링크의 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI)를 사용하여 신호 전파 및 간섭(특히 FD 액세스 포인트의 자기 간섭)을 모델링한다.
• 공정한 비교를 위해 하프드플렉스(HD) 기준 모델에 대해 최적 계수의 닫힌 형태 표현식을 유도한다.
• CVX와 같은 볼록 최적화 도구를 사용하여 SCA 프레임워크 내 재구성된 볼록 문제를 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STAR-RIS는 전통적 RIS 및 하프드플렉스 시스템과 비교해 FD 통신 시스템에 효과적으로 통합되어 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 QoS 및 단위 모듈러스 제약 조건 하에서 에너지 분할(ES) 및 모드 전환(MS) 프로토콜의 합성 전송률 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 RIS 요소 수를 증가시킬 경우 ES 및 MS 프로토콜의 합성 전송률 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 SNR 영역에서 STAR-RIS의 성능은 전통적 RIS 및 하프드플렉스 시스템과 비교해 어떻게 나타나는가?
• RQ5 반사 및 전송 계수의 지능적인 진폭 및 위상 제어는 시스템의 합성 전송률 향상에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 모든 SNR 영역에서 에너지 분할(ES) 프로토콜이 모드 전환(MS) 프로토콜보다 더 높은 평균 가중합성 전송률을 달성하며, M이 32에서 64로 증가할 경우 약 29.3%의 전송률 향상을 보였다.
• 고SNR(15 dB) 영역에서 ES 및 MS 프로토콜 모두 하프드플렉스(HD) 기준을 능가하며, 특히 최적의 진폭 제어 덕분에 ES 프로토콜이 더 뛰어난 성능을 보였다.
• RIS 요소 수가 64에서 128로 두 배로 증가할 경우, ES 프로토콜의 가중합성 전송률은 22.3% 증가했고, MS 프로토콜은 27.1% 증가하여 수익 감소 현상이 나타났다.
• M > 48일 경우, MS 프로토콜이 전통적 RIS를 略적으로 능가함. 이는 각 요소를 반사 또는 전송 모드로 지능적으로 할당할 수 있기 때문이다.
• ES 프로토콜을 적용한 STAR-RIS는 전통적 RIS보다 더 높은 합성 전송률을 달성하며, 진폭과 위상의 동시 최적화의 이점을 입증한다.
• 제안된 SCA 기반 알고리즘은 QoS 제약 조건 및 단위 모듈러스 조건을 만족하는 준최적 해로 수렴하며, 실용적 구현이 가능함을 보였다.