[논문 리뷰] GMD-Based Hybrid Beamforming for Large Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Millimeter-Wave Massive MIMO

Keke Ying, Zhen Gao외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 28인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 대규모 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)-보조 밀리미터파(mmWave) 대량 MIMO 시스템을 위한 기하평균 분해(GMD)-기반 하이브리드 beamforming 방안을 제안한다. 과도하게 샘플링된 2차원 DFT 코드북에 동시에 정규직교 매칭 추적(SOMP) 알고리즘을 적용하고, 선로상(LoS) 각도를 기반으로 RIS의 위상 이득을 최적화함으로써, 기존 방법보다 더 나은 BER 및 스펙트럼 효율성(SE) 성능을 달성하며, 고신호대노이즈비(SNR) 및 채널 편차 상황에서도 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) is considered to be an energy-efficient approach to reshape the wireless environment for improved throughput. Its passive feature greatly reduces the energy consumption, which makes RIS a promising technique for enabling the future smart city. Existing beamforming designs for RIS mainly focus on optimizing the spectral efficiency for single carrier systems. To avoid the complicated bit allocation on different spatial domain subchannels in MIMO systems, in this paper, we propose a geometric mean decomposition-based beamforming for RIS-assisted millimeter wave (mmWave) hybrid MIMO systems so that multiple parallel data streams in the spatial domain can be considered to have the same channel gain. Specifically, by exploiting the common angular-domain sparsity of mmWave massive MIMO channels over different subcarriers, a simultaneous orthogonal match pursuit algorithm is utilized to obtain the optimal multiple beams from an oversampling 2D-DFT codebook. Moreover, by only leveraging the angle of arrival and angle of departure associated with the line of sight (LoS) channels, we further design the phase shifters for RIS by maximizing the array gain for LoS channel. Simulation results show that the proposed scheme can achieve better BER performance than conventional approaches. Our work is an initial attempt to discuss the broadband hybrid beamforming for RIS-assisted mmWave hybrid MIMO systems.

연구 동기 및 목표

• 높은 하드웨어 비용과 복잡한 피드백으로 인해 발생하는 밀리미터파(mmWave) 대량 MIMO 시스템에서 광대역 하이브리드 beamforming의 과제를 해결한다.
• 서브대역 간 복잡한 비트 할당이 필요로 하는 전통적인 SVD 기반 beamforming의 한계를 극복하기 위해, 이를 피하는 방식으로 기존 방법을 초월한다.
• 비선로상(NLoS) 환경에서 채널 품질을 향상시키고 선로상(LoS) 유사 링크를 지원하기 위해 RIS를 수동 반사체로 통합한다.
• 과도하게 샘플링된 2차원 DFT 코드북을 기반으로 동시에 정규직교 매칭 추적(SOMP) 알고리즘을 활용하여, 기지국(BS)과 사용자 단말(UE)의 아날로그 beamformer를 공동으로 설계함으로써 광대역 beamforming의 효율성을 높인다.
• 기지국-RIS 및 RIS-UE 간 선로상(LoS) 링크의 도착각(AoA)과 출발각(AoD)을 활용하여 배열 이득을 극대화함으로써 RIS 반사 행렬을 최적화한다.

제안 방법

• 기지국에서 기하평균 분해(GMD)를 적용하여 공간 스트림 간 동일한 채널 이득을 확보함으로써 비트 할당을 단순화하고 BER 성능을 향상시킨다.
• 과도하게 샘플링된 2차원 DFT 코드북에 동시에 정규직교 매칭 추적(SOMP) 알고리즘을 적용하여 기지국(BS)과 사용자 단말(UE)의 아날로그 beamformer를 공동으로 설계함으로써 광대역 beamforming의 효율성을 높인다.
• 기지국-RIS 및 RIS-UE 간 선로상(LoS) 링크의 도착각(AoA)과 출발각(AoD)을 기반으로 배열 이득을 극대화함으로써 RIS 반사 행렬을 설계한다. 이를 통해 최적의 신호 증폭을 확보한다.
• 서브대역 간 mmWave 채널의 공통적인 각도 도메인 희박성(angular-domain sparsity)을 활용하여 계산 복잡도를 감소시키고 beamforming 정확도를 향상시킨다.
• RIS를 수동 반사체로 통합하여 가상의 선로상(LoS) 링크를 생성함으로써, 비선로상(NLoS) 환경에서의 시스템 용량과 신뢰성을 향상시킨다.
• 하이브리드 아날로그-디지털 beamforming 아키텍처를 활용하여 광대역 mmWave 시스템에서 높은 스펙트럼 효율성을 유지하면서도 하드웨어 비용을 절감한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS를 통한 광대역 mmWave 대량 MIMO 시스템에서 하이브리드 beamforming을 어떻게 효율적으로 설계할 수 있을까? 이는 복잡도와 피드백 오버헤드를 줄이는 데 기여할 수 있는가?
• RQ2 GMD 기반 기지국 beamforming이 복잡한 비트 할당 없이도 전통적인 SVD 기반 방법보다 BER 성능에서 뛰어나게 성능을 높일 수 있는가?
• RQ3 과도하게 샘플링된 2차원 DFT 코드북에 SOMP를 적용함으로써 광대역 mmWave 시스템에서 아날로그 beamforming 성능이 어떻게 향상되는가?
• RQ4 LoS의 도착각(AoA)/출발각(AoD)을 기반으로 한 RIS 반사 행렬 설계가 배열 이득과 시스템 스펙트럼 효율성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 실제 구현 상황에서 채널 추정 오차 및 CSI 편차에 대해 제안된 방식이 얼마나 강인한가?

주요 결과

• 제안된 SOMP 및 RIS를 통합한 GMD 기반 하이브리드 beamforming은 고신호대노이즈비(SNR) 조건에서 공간 스트림 간 이득 균형을 확보함으로써, 기존 방법보다 BER 성능에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 과도하게 샘플링된 요소 수 ρ ≥ 3일 경우, 제안된 방식은 이상적인 SOMP 기준선과 거의 동일한 스펙트럼 효율성(SE) 성능을 달성하며, beam 선택 정확도가 매우 높음을 시사한다.
• RIS의 보조로 인해 순수한 NLoS 환경보다 훨씬 높은 SE 성능을 달성함으로써, 가상의 선로상(LoS) 링크를 생성함으로써 그 효과를 입증한다.
• RIS 최적화 설계는 채널 편차에 대해 강인한 성능을 보이며, 20 dB SNR에서 정규화된 채널 오차가 0 dB까지 허용되더라도 높은 SE를 유지한다.
• RIS 반사 행렬의 설계는 매우 민감하게 작용한다: 완전 반사(항등행렬) 및 무작위 위상 RIS 설계는 제안된 최적화 설계에 비해 훨씬 열 劣한 SE 성능을 보인다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 각도 희박성을 효과적으로 활용하고, 전체 CSI 피드백 없이도 서브대역 간 효율적인 beamforming을 가능하게 함을 확인한다.