[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface Aided Communications: Asymptotic Analysis under Imperfect CSI

Bayan Al-Nahhas, Qurrat-Ul-Ain Nadeem외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 20.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 CSI 하에서 다중 사용자 RIS 보조 MISO 다운링크 시스템의 渐近 sum-rate 성능을 분석하며, ON/OFF 및 직접 추정(DE)이라는 두 가지 채널 추정 프로토콜을 제안하고 SINR 및 sum-rate에 대한 결정론적 등가를 유도한다. 레이일라이 프레임에서 RIS는 배열 이득만 제공하며, 라이케이 프레임에서 RIS는 배열 이득과 빔포밍 이득을 모두 제공한다. 대규모 시스템에서 DE는 ON/OFF보다 우수한 성능을 보인다.

ABSTRACT

This work studies the asymptotic sum-rate performance of a multi-user reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted-multiple-input single-output (MISO) downlink system under imperfect CSI and Rayleigh and Rician fading. We first extend the existing least squares (LS) ON/OFF channel estimation protocol to a multi-user system, where we derive minimum mean squared error (MMSE) estimates of all RIS-assisted channels over multiple sub-phases. We also consider a low-complexity direct estimation (DE) scheme, where the BS obtains the MMSE estimate of the overall channel in a single sub-phase. Under both protocols, the BS implements maximum ratio transmission (MRT) precoding while the RIS phases are studied in the large system limit, where we derive deterministic equivalents of the signal- to-interference-plus-noise ratio (SINR) and the sum-rate. The derived asymptotic expressions reveal that under Rayleigh fading, the RIS phase-shift values do not play a significant role in improving the sum-rate but the RIS still provides an array gain. However, under Rician fading, we show that RIS provides both array and reflect beamforming gains. A projected gradient ascent-based algorithm is used to optimize the phase-shifts under both ON/OFF and DE protocol. Simulation results show that the DE of the overall channel yields better downlink performance when considering large systems.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 CSI를 가진 다중 사용자 RIS 보조 MISO 시스템에 대해 LS ON/OFF 채널 추정 프로토콜을 확장한다.
• 단일 서브단계에서 전체 RIS 보조 채널을 추정하기 위한 저복잡도의 직접 추정(DE) 방식을 제안한다.
• 대규모 시스템 한계 하에서 결정론적 등가를 사용하여 asymptotic sum-rate 성능을 분석한다.
• 레이일라이 및 라이케이 프레임 조건 하에서 RIS의 위상 보정이 sum-rate에 미치는 영향을 조사한다.
• 두 추정 프로토콜 모두에서 투영된 기울기 상승을 통해 RIS 위상 보정을 최적화한다.

제안 방법

• LS 기반의 ON/OFF 채널 추정을 다중 사용자 RIS 시스템으로 확장하며, 다중 서브단계에서 최소 제곱 오차(MMSE) 추정치를 유도한다.
• 기지국이 단일 서브단계에서 전체 채널을 추정하는 저복잡도의 직접 추정(DE) 방식을 제안한다.
• 두 추정 프로토콜 모두에서 기지국에서 최대 비율 전송(MRT) 예상편성 기법을 적용한다.
• 대규모 시스템 한계 하에서 신호 대 인터페런스-노이즈비(SINR) 및 sum-rate의 결정론적 등가를 유도한다.
• 두 ON/OFF 및 DE 프로토콜 모두에서 투영된 기울기 상승을 사용하여 RIS 위상 보정을 최적화한다.
• RIS 보조 채널에 대한 레이일라이 및 라이케이 프레임 모델 하에서의 asymptotic 성능을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 CSI를 가진 다중 사용자 RIS 보조 MISO 다운링크에서 sum-rate 성능은 어떻게 渐近적으로 스케일링되는가?
• RQ2 레이일라이 프레임과 라이케이 프레임 간에 RIS 위상 보정이 sum-rate에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 대규모 시스템에서 ON/OFF 및 직접 추정(DE) 프로토콜 간의 sum-rate 성능 비교는 어떻게 되는가?
• RQ4 불완전한 CSI 하에서 RIS 보조 시스템에 대해 SINR 및 sum-rate의 결정론적 등가를 도출할 수 있는가?
• RQ5 다양한 프레임 모델 하에서 RIS 보조 시스템에서 배열 이득과 빔포밍 이득의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 레이일라이 프레임에서 RIS 위상 보정은 sum-rate에 크게 기여하지 않지만, 여전히 배열 이득을 제공한다.
• 라이케이 프레임에서 RIS는 배열 이득과 반사 빔포밍 이득을 모두 제공하며, sum-rate 성능을 향상시킨다.
• 대규모 시스템에서 직접 추정(DE) 방식은 ON/OFF 프로토콜보다 더 우수한 다운링크 sum-rate 성능을 제공한다.
• 레이일라이 및 라이케이 프레임 모두에 대해 SINR 및 sum-rate의 결정론적 등가를 도출하였다.
• 투영된 기울기 상승은 두 추정 프로토콜 모두에서 RIS 위상 보정을 효과적으로 최적화한다.
• 渐近 분석 결과, 최적의 위상 제어 하에서 RIS는 라이케이 프레임 하에서 스펙트럼 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.