[논문 리뷰] Simultaneous Transmission and Reflection Reconfigurable Intelligent Surface Assisted MIMO Systems

Hehao Niu, Zheng Chu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 에너지 분할(ES), 모드 선택(MS), 시간 분할(TS) 프로토콜을 통해 조절되는 전송 및 반사 재구성가능한 지능형 표면(_STAR-RIS_)을 활용한 MIMO 시스템을 제안한다. 이는 선형 예비 행렬과 전송/반사 계수(TARCs)를 최적화하여 스펙트럼 효율성을 향상시킨다. 결과적으로 STAR-RIS는 전통적인 반사 전용 RIS를 능가하며, 유니캐스트 시나리오에서는 TS가, 브로드캐스트 시나리오에서는 ES가 더 뛰어난 성능을 보인다. 이는 뛰어난 스펙트럼 효율성과 간섭 관리 능력 덕분이다.

ABSTRACT

In this work, we investigate a novel simultaneous transmission and reflection reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted multiple-input multiple-output downlink system, where three practical transmission protocols, namely, energy splitting (ES), mode selection (MS), and time splitting (TS), are studied. For the system under consideration, we maximize the weighted sum rate with multiple coupled variables. To solve this optimization problem, a block coordinate descent algorithm is proposed to reformulate this problem and design the precoding matrices and the transmitting and reflecting coefficients (TARCs) in an alternate manner. Specifically, for the ES scheme, the precoding matrices are solved using the Lagrange dual method, while the TARCs are obtained using the penalty concave-convex method. Additionally, the proposed method is extended to the MS scheme by solving a mixed-integer problem. Moreover, we solve the formulated problem for the TS scheme using a one-dimensional search and the Majorization-Minimization technique. Our simulation results reveal that: 1) Simultaneous transmission and reflection RIS (STAR-RIS) can achieve better performance than reflecting-only RIS; 2) In unicast communication, TS scheme outperforms the ES and MS schemes, while in broadcast communication, ES scheme outperforms the TS and MS schemes.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 동시에 신호 전송과 반사를 가능하게 하는 새로운 STAR-RIS-보조 MIMO 다운링크 시스템을 설계하는 것.
• 에너지 분할(ES), 모드 선택(MS), 시간 분할(TS)과 같은 실용적 프로토콜 하에서 예비 행렬과 전송/반사 계수(TARCs)의 공동 최적화 문제를 해결하는 것.
• 전력 제약 조건과 위상 이동 변수 등 여러 상호의존 변수를 고려하여 가중합속도(WSR)를 최대화하는 것.
• 각 프로토콜에 맞게 최적화된 알고리즘을 개발하며, 라그랑주 이중성, 페널티 볼록-비볼록(PCC), 주도-최소화(MM) 기법을 활용하는 것.

제안 방법

• 가중합속도(WSR) 최대화 문제는 효율적인 최적화를 가능하게 하기 위해 등가 가중 최소평균제곱오차(WMMSE) 방법을 사용해 재구성된다.
• ES 방식의 경우, 예비 행렬은 라그랑주 이중 방법을 통해 최적화되며, TARCs는 페널티 볼록-비볼록(PCC) 방법을 통해 구한다.
• MS 방식은 이진 모드 선택 변수를 도입함으로써 ES 프레임워크에서 확장된 혼합정수 최적화 문제로 모델링된다.
• TS 방식은 시간 할당 요소에 대한 일차원 검색과 함께 주도-최소화(MM) 기법을 활용하여 위상 이동을 반복적으로 최적화한다.
• 블록 좌표 강하 방식으로 예비 행렬과 TARCs를 공동 최적화하기 위해 교대 최적화(AO) 프레임워크가 사용된다.
• 제안된 알고리즘은 라이카니 경로 손실 및 fading 모델(LoS 성분에 대해 라이카니 fading, NLoS 성분에 대해 레이일리 fading)을 반영한 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STAR-RIS-보조 MIMO 시스템의 성능은 전통적인 반사 전용 RIS와 비교해 가중합속도 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ2 유니캐스트 통신에서 세 가지 프로토콜인 에너지 분할(ES), 모드 선택(MS), 시간 분할(TS) 중 어느 것이 가장 높은 가중합속도를 달성하는가?
• RQ3 브로드캐스트 통신에서 ES, MS, TS 중 어느 프로토콜이 가장 높은 가중합속도를 달성하는가? 그 이유는 무엇인가?
• RQ4 STAR-RIS-보조 MIMO 시스템에서 예비 행렬과 전송/반사 계수(TARCs)의 공동 최적화가 스펙트럼 효율성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 STAR-RIS-보조 MIMO 시스템에서 비볼록이고 상호의존적인 최적화 문제를 해결하는 데 가장 효과적인 최적화 기법은 무엇인가?

주요 결과

• STAR-RIS는 전체 공간 신호 커버리지를 가능하게 하여 반사 전용 RIS를 능가하며, 모든 시나리오에서 더 높은 가중합속도를 달성한다.
• 유니캐스트 통신에서는 시간 분할(TS) 방식이 가장 높은 가중합속도를 달성하며, 특히 고전력 전송 조건에서 상호 사용자 간 간섭을 제거할 수 있다는 점에서 유리하다.
• 브로드캐스트 통신에서는 에너지 분할(ES) 방식이 TS 및 MS 방식을 모두 능가한다. 이는 동시에 다수의 사용자에게 전송하기 위해 가용 시간과 전력을 극대화하기 때문이다.
• RIS 요소 수(M)가 증가할수록 STAR-RIS의 성능 향상이 커지며, 이는 수신기에서 더 강한 신호의 구성 효과를 유도하기 때문이다.
• 라그랑주 이중성, PCC, MM 기반의 제안된 최적화 알고리즘이 효과적으로 고품질 해에 수렴하여, STAR-RIS-보조 MIMO 시스템의 실용적 구현 가능성을 높인다.
• 시뮬레이션 결과는 예비 행렬과 TARCs의 공동 최적화가 RIS가 최적의 위상 이동과 전력 분할로 구성된 경우에 특히 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킨다는 것을 확인한다.