[논문 리뷰] Two-Timescale Design for Reconfigurable Intelligent Surface-Aided Massive MIMO Systems with Imperfect CSI

Kangda Zhi, Cunhua Pan외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 65인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 채널 상태 정보(CSI)를 갖는 재구성 가능한 지능 표면(RIS)-보조 매크로 MIMO 시스템을 위한 이중 시간스케일 전송 방식을 제안한다. 여기서 기지국(BS)의 beamforming은 순간적인 CSI에 맞춰 조정되며, RIS의 위상 시프트는 느리게 변화하는 통계적 CSI를 기반으로 최적화된다. 연구에서는 도달 가능한 비율에 대한 폐쇄형 하한을 유도하고, 가속화된 경사상승 알고리즘을 제안하여, RIS를 세포 외곽 사용자 근처에 배치할 경우 공간 상관성 있는 fading과 저전자간섭(EMI) 환경에서 특히 높은 스펙트럼 효율성 향상을 얻을 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

This paper investigates the two-timescale transmission design for reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems, where the beamforming at the base station (BS) is adapted to the rapidly-changing instantaneous channel state information (CSI), while the passive beamforming at the RIS is adapted to the slowly-changing statistical CSI. Specifically, we first propose a linear minimum mean square error (LMMSE) estimator to obtain the aggregated channel from the users to the BS in each channel coherence interval. Based on the estimated channel, we apply the low-complexity maximal ratio combining (MRC) beamforming at the BS, and then derive the ergodic achievable rate in a closed form expression. To draw design insights, we perform a detailed theoretical analysis departing from the derived ergodic achievable rate. If the BS-RIS channel is Rician distributed, we prove that the transmit power can be scaled proportionally to $1/M$, as the number of BS antennas, $M$, grows to infinity while maintaining a non-zero rate. If the BS-RIS channel is Rayleigh distributed, the transmit power can be scaled either proportionally to $1/\sqrt{M}$ as $M$ grows large, or proportionally to $1/N$ as the number of reflecting elements, $N$, grows large, while still maintaining a non-zero rate. By capitalizing on the derived expression of the data rate under the statistical knowledge of the CSI, we maximize the minimum user rate by designing the passive beamforming at the RIS. Numerical results confirm that, even in the presence of imperfect CSI, the integration of an RIS in massive MIMO systems results in promising performance gains. In addition, the obtained results reveal that it is favorable to place the RIS close to the users rather than close to the BS.

연구 동기 및 목표

• 순간적인 CSI 기반 RIS beamforming으로 인한 높은 파ilot 오버헤드와 피드백 신호 전송 문제를 해결하기 위해.
• RIS 위상 시프트를 통계적 CSI를 사용하여 최적화하는 이중 시간스케일 설계를 개발하기 위해.
• 실제 채널 추정 및 하드웨어 결함 조건 하에서 공간 상관성과 전자기 간섭(EMI)이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 불완전한 CSI와 현실적인 시스템 제약 조건 하에서 최소 사용자 비율을 최대화하기 위한 효율적인 최적화 알고리즘을 제시하기 위해.

제안 방법

• 기지국(BS)은 순간적인 CSI를, RIS는 통계적 CSI를 사용하는 이중 시간스케일 beamforming을 갖는 RIS-보조 매크로 MIMO 시스템을 모델링한다.
• 집합된 사용자-기지국 채널에 대해 선형 최소 제곱 오차(LMMSE) 추정을 사용하고, 최대 비율 복합(MRC) 검출을 적용한다.
• 공간 독립 및 공간 상관성 있는 Rician fading 채널에 대해 도달 가능한 비율에 대한 폐쇄형 하한을 유도한다.
• 실제 환경을 반영하기 위해 시스템 모델에 전자기 간섭(EMI)과 하드웨어 결함을 통합한다.
• 불완전한 CSI 하에서 최소 사용자 비율 최대화 문제를 해결하기 위해 가속화된 경사상승 알고리즘을 제안한다.
• 전력 스케일링 법칙과 RIS 요소 간격, EMI 수준과 같은 핵심 매개변수의 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 시간스케일 설계는 불완전한 CSI를 갖는 RIS-보조 매크로 MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시키고 피드백 오버헤드를 줄이는가?
• RQ2 사용자가 넓은 영역에 분포해 있을 때와 세포 외곽 사용자 근처에 집중되어 있을 때 RIS 배치가 성능에 미치는 성능 향상은 어떠한가?
• RQ3 요소 간 거리가 넓고 EMI가 약할 경우 공간 독립 Rician fading 모델의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ4 공간 상관성이 있는 Rician fading 채널에서 독립적인 fading에 비해 beamforming 이득은 얼마나 향상되는가?
• RQ5 전자기 간섭과 하드웨어 결함은 도달 가능한 비율과 RIS 위상 시프트 설계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• RIS 요소 간 거리가 넓고 EMI가 약할 경우 공간 독립 Rician fading 모델은 충분히 정확하며, 성능 손실 없이 시스템 설계를 단순화할 수 있다.
• 공간 상관성이 존재할 경우 RIS는 무선 환경을 더 효과적으로 조절할 수 있어 스펙트럼 효율성 향상과 사용자 비율의 공정성 향상에 기여한다.
• RIS를 세포 외곽 사용자 근처에 설치할 경우 성능 향상이 뚜렷하며, 사용자가 넓은 영역에 흩어져 있을 경우 성능 향상은 제한적이다.
• 제안된 가속화된 경사상승 알고리즘은 효율적으로 수렴하며, 최소 사용자 비율 최대화 문제에서 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 도달 가능한 비율에 대한 폐쇄형 하한은 탐색 가능하며, 불완전한 CSI와 하드웨어 결함 조건 하에서도 최적화를 수월하게 가능하게 한다.
• 전력 스케일링 법칙은 RIS 배치가 고속도 또는 고감쇠 환경에서 사용자당 전송 전력 요구량을 크게 줄일 수 있음을 보여준다.