[논문 리뷰] Energy-Efficient Wireless Communications with Distributed Reconfigurable Intelligent Surfaces

Zhaohui Yang, Mingzhe Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 41인용 수 58

한 줄 요약

이 논문은 에너지 효율(energy efficiency)을 최대화하기 위해 분산 RIS들 간의 전송 빔포밍, RIS 위상 시프트, 및 RIS 온오프 상태를 공동으로 최적화하는 것을 제안하며, 단일 사용자 및 다중 사용자 시나리오에 대해 SCA 및 이중/그리디 방법을 사용한다.

ABSTRACT

This paper investigates the problem of resource allocation for a wireless communication network with distributed reconfigurable intelligent surfaces (RISs). In this network, multiple RISs are spatially distributed to serve wireless users and the energy efficiency of the network is maximized by dynamically controlling the on-off status of each RIS as well as optimizing the reflection coefficients matrix of the RISs. This problem is posed as a joint optimization problem of transmit beamforming and RIS control, whose goal is to maximize the energy efficiency under minimum rate constraints of the users. To solve this problem, two iterative algorithms are proposed for the single-user case and multi-user case. For the single-user case, the phase optimization problem is solved by using a successive convex approximation method, which admits a closed-form solution at each step. Moreover, the optimal RIS on-off status is obtained by using the dual method. For the multi-user case, a low-complexity greedy searching method is proposed to solve the RIS on-off optimization problem. Simulation results show that the proposed scheme achieves up to 33\% and 68\% gains in terms of the energy efficiency in both single-user and multi-user cases compared to the conventional RIS scheme and amplify-and-forward relay scheme, respectively.

연구 동기 및 목표

• 분산 RIS를 갖춘 차세대 무선 네트워크의 에너지 효율 설계에 대한 동기 부여.
• 사용자 최저 속도 제약 및 전력 한계 하에서 에너지 효율 최대화.
• 성능과 에너지 비용의 균형을 맞추기 위한 RIS 온오프 상태 및 위상 시프트의 동적 제어.
• 단일 사용자 및 다중 사용자 케이스에 대한 확장 가능한 알고리즘 개발.

제안 방법

• 하나의 기지국(BS), 다수의 분산된 RIS, 다수의 사용자를 갖는 다운링크 MISO 시스템 모델링.
• 실제 전력 소비를 포착하기 위해 이진 RIS 온오프 변수 및 단위 모듈러스 RIS 위상 시프트 행렬 도입.
• 율제약(속도) 및 전력 제약이 있는 EE를 최대화하는 결합 최적화 문제를 MINLP로 공식화.
• K=1의 경우: (i) 위상/전력의 결합 최적화를 Closed-Form 위상 업데이트와 닫힌 형태의 전력으로 수행하는 SCA를 이용한 교대 단계; (ii) 이중 방법을 통한 RIS 온오프 해결.
• K>1의 경우: 위상/빔형성의 SCA를 이용한 저복잡도 그리디 온오프 탐색 및 이중 기반 접근을 통한 온오프를 이용한 iterative 해법 제시.
• 단일 사용자 전력에 대한 closed-form EE 해법 및 다중 사용자 RIS 온오프 문제에 대한 이완-정수(relaxed-to-integer) 방법을 제공.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 RIS를 갖춘 네트워크에서 사용자별 속도 제약 하에 에너지 효율을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 RIS의 온오프를 켜고 끄는 것이 EE에 미치는 영향은 무엇이며 활성화할 RIS를 최적으로 어떻게 선택하는가?
• RQ3 위상 시프트 최적화와 빔포밍이 RIS 활성화와 어떻게 상호 작용하여 단일 사용자 대 다중 사용자 시나리오에서 성능을 극대화하는가?

주요 결과

• 제안된 스키임은 단일 사용자 케이스에서 기존 RIS 방식보다 최대 33%의 EE 이득을 달성합니다.
• 제안된 스키임은 다중 사용자 케이스에서 증폭 및 전달(Amplify-and-Forward) 릴레이 대비 최대 68%의 EE 이득을 달성합니다.
• SCA는 단일 사용자 알고리즘에서 수렴이 보장되는 국소 최적 위상 해를 제공합니다.
• 단일 사용자 EE 최적화에 대해 닫힌 형태의 최적 전력 해를 도출합니다.
• 다중 사용자 경우, 저복잡도 그리디 온오프 방법과 이완된 정수 제약을 이용한 이중 방법이 EE를 보존하면서 RIS 활성화를 결정합니다.
• 수치 결과는 기초선 대비 분산 RIS의 에너지 효율 향상을 입증합니다.