[论文解读] Sum Rate Maximization in STAR-RIS Assisted Full-Duplex Communication Systems

Pulasthi P. Perera, Vanodhya G. Warnasooriya+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 5

一句话总结

本论文通过在能量分割（ES）和模式切换（MS）协议下优化反射与透射系数，提出在STAR-RIS辅助的全双工（FD）通信系统中实现和速率最大化。采用逐次凸逼近（SCA）方法，推导出次优解，结果表明STAR-RIS在频谱效率方面优于传统RIS和半双工系统，且ES性能优于MS，两者在中高信噪比（SNR）下均优于基准方案。

ABSTRACT

The sum-rate performance of simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) assisted full-duplex (FD) communication systems is investigated. The reflection and transmission coefficients of STAR-RIS elements are optimized for the energy splitting and mode switching protocols to maximize the weighted sum rate of the system. The underlying optimization problems are non-convex, and hence, the successive convex approximation technique has been employed to develop efficient algorithms to obtain sub-optimal solutions. Thereby, the maximum average weighted sum rate and corresponding coefficients at the STAR-RIS subject to predefined threshold rates and unit-modulus constraints are quantified. The performance of the proposed system design is compared with the conventional reflecting/transmitting-only RISs and half-duplex counterparts via simulations where it is observed that STAR-RIS can boost the performance of FD systems.

研究动机与目标

• 为解决传统仅反射RIS在FD系统中覆盖范围有限和频谱效率低的问题，通过支持同时传输与反射来提升性能。
• 通过利用STAR-RIS使用户可位于表面两侧，突破传统RIS用户必须位于同一侧的拓扑限制。
• 在满足服务质量（QoS）速率约束的前提下，最大化FD系统中上行链路与下行链路用户的加权和速率。
• 在满足单位模长约束和功率阈值等实际约束条件下，对比STAR-RIS与传统RIS及半双工（HD）系统的性能。

提出的方法

• 建立非凸优化问题，以最大化STAR-RIS辅助FD系统中上行链路与下行链路用户的加权和速率。
• 应用逐次凸逼近（SCA）技术，将非凸问题迭代逼近为一系列凸子问题，以高效推导次优解。
• 设计两种算法：一种用于能量分割（ES）协议，另一种用于模式切换（MS）协议，分别在单位模长约束下优化反射与透射系数。
• 利用信道状态信息（CSI）建模直达链路与RIS辅助链路的信号传播与干扰，包括全双工接入点（AP）的自干扰。
• 推导半双工（HD）基准方案下最优系数的闭式表达式，以实现公平比较。
• 采用凸优化工具（如CVX）求解SCA框架中重构后的凸问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 STAR-RIS能否有效集成到FD通信系统中，与传统RIS和半双工系统相比，是否能显著提升频谱效率？
• RQ2 在QoS和单位模长约束下，能量分割（ES）与模式切换（MS）协议在和速率性能方面如何比较？
• RQ3 增加RIS阵元数量对ES与MS协议的和速率性能有何影响？
• RQ4 在不同SNR范围内，STAR-RIS与传统RIS及半双工系统相比性能如何？
• RQ5 对反射与透射系数进行智能的幅度与相位控制，在多大程度上能提升系统和速率？

主要发现

• 在所有SNR范围内，能量分割（ES）协议的平均加权和速率均高于模式切换（MS）协议，当M从32增至64时，速率增益达29.3%。
• 在高SNR（15 dB）时，ES与MS协议均优于半双工（HD）基准方案，其中ES协议因优化了幅度控制而表现更优。
• 当RIS阵元数从64增至128时，ES协议的加权和速率提升22.3%，MS协议提升27.1%，表明收益呈递减趋势。
• 当M > 48时，MS协议略优于传统RIS，因其能智能地将每个阵元分配至反射或透射模式。
• STAR-RIS结合ES协议的和速率高于传统RIS，证明了联合幅度与相位优化的优势。
• 所提出的基于SCA的算法能成功收敛至满足QoS约束与单位模长条件的次优解，具备实际部署潜力。