[論文レビュー] Joint Hybrid and Passive RIS-Assisted Beamforming for MmWave MIMO Systems Relying on Dynamically Configured Subarrays

Chenghao Feng, Wenqian Shen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、二重解像度位相シフト器を備えた動的サブコネクト構造を用いた、mmWave MIMOシステムにおける共同ハイブリッドおよびパassing RIS支援ビームフォーミングフレームワークを提案する。逐次干渉キャンセレーション（SIC）と複素円多様体（CCM）に基づく最適化を採用することで、スペクトル効率を最大化するとともに、ハードウェアの複雑さと消費電力を低減する共同最適化により、完全に高解像度または低解像度の対比的構成と比較して、帯域幅効率とエネルギー効率の良好なトレードオフを達成する。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted millimeter-wave (mmWave) communication systems relying on hybrid beamforming structures are capable of achieving high spectral efficiency at a low hardware complexity and low power consumption. In this paper, we propose an RIS-assisted mmWave point-to-point system relying on dynamically configured sub-array connected hybrid beamforming structures. More explicitly, an energy-efficient analog beamformer relying on twin-resolution phase shifters is proposed. Then, we conceive a successive interference cancelation (SIC) based method for jointly designing the hybrid beamforming matrix of the base station (BS) and the passive beamforming matrix of the RIS. Specifically, the associated bandwidth-efficiency maximization problem is transformed into a series of sub-problems, where the sub-array of phase shifters and RIS elements are jointly optimized for maximizing each sub-array's rate. Furthermore, a greedy method is proposed for determining the phase shifter configuration of each sub-array. We then propose to update the RIS elements relying on a complex circle manifold (CCM)-based method. The proposed dynamic sub-connected structure as well as the proposed joint hybrid and passive beamforming method strikes an attractive trade-off between the bandwidth efficiency and power consumption. Our simulation results demonstrate the superiority of the proposed method compared to its traditional counterparts.

研究の動機と目的

• 高帯域幅システムにおける従来のフルデジタルmmWaveビームフォーミングの高コストおよび高消費電力の問題に対処すること。
• 固定サブコネクトハイブリッドビームフォーミング構造の制限を克服するため、動的サブアレイ構成を導入すること。
• RIS支援mmWave MIMOシステムにおける高スペクトル効率を維持しつつ、アナログビームフォーマーの複雑さと消費電力を低減すること。
• 基地局におけるハイブリッドビームフォーミングとRISにおけるパassingビームフォーミングを共同最適化することで、システム性能を向上させること。

提案手法

• 高解像度および低解像度位相シフト器を組み合わせた、空間利得とハードウェアコストのバランスを取った動的サブコネクトアナログビームフォーマーを提案する。
• 帯域幅効率最大化問題を、各サブアレイごとに部分問題に分解するため、逐次干渉キャンセレーション（SIC）に基づく手法を開発する。
• 各サブアレイ内での送信アンテナと位相シフト器の最適接続を決定するためのグリーディアルゴリズムを採用する。
• RIS素子の位相シフトを段階的に更新するため、複素円多様体（CCM）に基づく最適化手法を用いる。
• 共同ビームフォーミング設計を、サブアレイおよびRISごとの部分レート最大化問題の逐次解法に変換する。
• RFチェーン、位相シフト器、スイッチ、RIS素子を含む消費電力モデルを導入し、エネルギー効率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的サブコネクトハイブリッドビームフォーミング構造は、固定サブコネクトまたはフルデジタルアーキテクチャと比較して、RIS支援mmWave MIMOシステムにおけるスペクトル効率とエネルギー効率をどのように向上させるか？
• RQ2 RISを備えたmmWaveシステムにおけるハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャにおいて、高解像度と低解像度位相シフト器の最適なトレードオフは何か？
• RQ3 基地局におけるハイブリッドビームフォーミングとRISにおけるパassingビームフォーミングの共同最適化は、システムのスペクトル効率と消費電力にどのように影響を与えるか？
• RQ4 逐次干渉キャンセレーション（SIC）に基づくアプローチは、スケーラブルかつ低複雑性の方法で共同ビームフォーミング設計問題を効果的に分解・解消できるか？
• RQ5 RIS素子数と送信アンテナ数を変化させた場合、達成可能な帯域幅効率とエネルギー効率のトレードオフにどのような影響が生じるか？

主な発見

• 提案された二重解像度動的サブコネクト構造は、完全に低解像度サブコネクトビームフォーマーと比較して高いスペクトル効率を達成する一方で、完全に高解像度対比と比較して優れたエネルギー効率を維持する。
• システムのエネルギー効率は、送信電力が約30 dBmでピークに達し、その後、スペクトル効率の対数的増加が消費電力の線形的増加を上回り始める。
• RIS素子数を16から64に増加させると、スペクトル効率とエネルギー効率の両方が向上するが、やがて飽和し、特定のRISサイズを超えると利得の逓減が顕著になる。
• 本手法は、従来の固定構造ハイブリッドビームフォーミングおよびRIS設定と比較して、スペクトル効率とエネルギー効率の良好なトレードオフを達成する。
• グリーディ位相シフト器構成手法は、サブアレイ最適化における計算複雑度を効果的に低減しつつ、高いスペクトル効率を維持する。
• CCMに基づくRIS位相シフト更新手法により、パassingビームフォーミング最適化における効率的かつ安定した収束が実現され、全体のシステム性能向上に寄与する。