[論文レビュー] RIS-Aided Angular-Based Hybrid Beamforming Design in mmWave Massive MIMO Systems

İbrahim Yıldırım, Asil Koç+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、mmWave massive MIMOシステムにおけるCSIオーバーヘッドの低減とスペクトル効率の向上を目的として、再構成可能インテリジェント表面（RIS）を支援するアンプルスベースのハイブリッド beamforming（RIS-AB-HBF）方式を提案する。RF beamformingにスローチャンジングの角度パラメータを活用し、ベースバンド処理のための次元削減された有効チャネルを用い、RISの位相シフトには粒子群最適化（PSO）を適用することで、深刻な遮断状態下でも従来のAB-HBFと比較して最大25 dB高い実現可能レートを達成し、信頼性および柔軟性の面で顕著な向上を示した。

ABSTRACT

This paper proposes a reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided and angular-based hybrid beamforming (AB-HBF) technique for the millimeter wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems. The proposed RIS-AB-HBF architecture consists of three stages: (i) RF beamformer, (ii) baseband (BB) precoder/combiner, and (iii) RIS phase shift design. First, in order to reduce the number of RF chains and the channel estimation overhead, RF beamformers are designed based on the 3D geometry-based mmWave channel model using slow time-varying angular parameters of the channel. Second, a BB precoder/combiner is designed by exploiting the reduced-size effective channel seen from the BB stages. Then, the phase shifts of the RIS are adjusted to maximize the achievable rate of the system via the nature-inspired particle swarm optimization (PSO) algorithm. Illustrative simulation results demonstrate that the use of RISs in the AB-HBF systems has the potential to provide more promising advantages in terms of reliability and flexibility in system design.

研究の動機と目的

• mmWave massive MIMOシステムにおける高いハードウェアコストとCSIオーバーヘッドの問題に対処すること。
• RFビームフォーミングにスローチャンジングの時間変動角度パラメータ（AoA/AoD）を活用することで、チャネル推定オーバーヘッドを低減すること。
• RISの反射を用いて、視線（LOS）および非視線（non-LOS）環境下でのシステムの信頼性とスペクトル効率を向上させること。
• RFビームフォーマー、ベースバンドプレコーディング/コンビーナー、およびRIS位相シフトを統合的に最適化し、最大実現可能レートを達成すること。
• 遮断状態が深刻な環境下で、PSO最適化RIS位相シフトがランダムまたは定常位相調整を上回る優位性を実証すること。

提案手法

• スローチャンジングの時間変動角度パラメータ（AoD/AoA）を用いた3次元幾何的mmWaveチャネルモデルに基づき、RFビームフォーマーを設計する。
• ベースバンドステージで観測される次元削減された有効チャネルに基づき、ベースバンドプレコーダーとコンビーナーを構築する。
• RISをM_I = M_Ix × M_Iy個の要素からなる受動反射アレイとしてモデル化し、各要素の位相シフトを可変とする。
• 粒子群最適化（PSO）を用いてRIS位相シフトの最適化をレート最大化問題として定式化する。
• 3段階の統合：RFビームフォーマー、ベースバンドプレコーダー/コンビーナー、およびRIS位相シフト設計を統合した包括的なRIS-AB-HBFアーキテクチャを構築する。
• 送信機、受信機、およびRISに一様平面アレイ（UPA）を仮定し、直接リンクおよびRIS反射リンクを有する3段階のシステムモデルを採用する。

Figure 1: RIS-assisted hybrid mmWave massive MIMO system model.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIS支援のAB-HBFは、mmWave massive MIMOにおける従来のハイブリッドビームフォーミングと比較して、どのようにCSIオーバーヘッドを低減するか？
• RQ2 遮断が発生しやすい環境下で、PSO最適化RIS位相シフトはランダムまたは定常位相調整と比較して、どの程度の実現可能レート向上を達成するか？
• RQ3 RISの配置（例：送信機からの距離）が、実現可能レートという観点でのシステム性能にどのように影響するか？
• RQ4 RIS要素数（M_I）を増加させることで、AB-HBFシステムにおけるスペクトル効率はどの程度向上するか？
• RQ5 直接の送信機-受信機リンクが遮断された場合でも、RIS支援のアンプルスベースビームフォーミングは高い性能を維持できるか？

主な発見

• d_TR = 100 m かつ d_1 = 20 m の場合、PSOベースのRIS-AB-HBFは10.47 bps/Hzを達成するが、d_1 = 100 m に増加すると3.24 bps/Hzに低下し、RISの配置に極めて感受することが示された。
• d_TR = 100 m の条件下で、直接リンクが遮断された状況下で、PSOベースのRIS-AB-HBFは従来のAB-HBFと比較して25 dBのゲインを示した。
• d_TRを25 mから50 mに倍増させた場合、従来のAB-HBFでは性能が76.53%低下するが、PSOベースのRIS-AB-HBFでは僅か22.85%の低下にとどまった。
• M_I = 100の場合、PSOベースのRIS-AB-HBFはランダム位相調整と比較して4.5 dBのゲインを達成したのに対し、M_I = 10では3 dBのゲインにとどまった。
• 定常位相RIS反射でさえ、追加のLOSパスを形成することで顕著な性能向上をもたらすが、M_Iが高くなると飽和する。
• PSO最適化RIS-AB-HBFシステムは、すべてのベンチマークを上回り、特にパスロスが大きく遮断状態が深刻な環境下で、動的位相最適化のおかげで優れた性能を発揮した。

Figure 2: Top view of simulation setup for the proposed RIS-aided hybrid MIMO system.