[论文解读] Energy-Efficient Wireless Communications with Distributed Reconfigurable Intelligent Surfaces

Zhaohui Yang, Mingzhe Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 41被引用 58

一句话总结

论文提出在分布式 RIS 上对发射波束成形、RIS 相位移和 RIS 开关状态进行联合优化，以最大化能源效率，使用 SCA 及双/贪婪方法在单用户和多用户场景中。

ABSTRACT

This paper investigates the problem of resource allocation for a wireless communication network with distributed reconfigurable intelligent surfaces (RISs). In this network, multiple RISs are spatially distributed to serve wireless users and the energy efficiency of the network is maximized by dynamically controlling the on-off status of each RIS as well as optimizing the reflection coefficients matrix of the RISs. This problem is posed as a joint optimization problem of transmit beamforming and RIS control, whose goal is to maximize the energy efficiency under minimum rate constraints of the users. To solve this problem, two iterative algorithms are proposed for the single-user case and multi-user case. For the single-user case, the phase optimization problem is solved by using a successive convex approximation method, which admits a closed-form solution at each step. Moreover, the optimal RIS on-off status is obtained by using the dual method. For the multi-user case, a low-complexity greedy searching method is proposed to solve the RIS on-off optimization problem. Simulation results show that the proposed scheme achieves up to 33\% and 68\% gains in terms of the energy efficiency in both single-user and multi-user cases compared to the conventional RIS scheme and amplify-and-forward relay scheme, respectively.

研究动机与目标

• 为带分布式 RIS 的下一代无线网络提供能源高效设计的动机。
• 在满足用户最小速率约束和功率上限的前提下最大化能源效率。
• 动态控制 RIS 的开关状态和相位以平衡性能与能耗。
• 为单用户和多用户情景开发可扩展算法。

提出的方法

• 建模一个下行多输入单输出（MISO）系统，包含一个基站、多个分布式 RIS 和多个用户。
• 引入二进制 RIS 开关变量和单位模相位移矩阵以捕捉实际功耗。
• 将联合优化问题建模为最大化能量效率：R_t/P_t，伴随速率和功率约束（MINLP）。
• 对于 K=1，使用交替步骤求解：(i) 联合相位/功率优化，使用带闭式相位更新的 SCA，且功率以闭式形式给出；(ii) 通过对偶方法求解 RIS 开关。
• 对于 K>1，提出一个低复杂度的贪婪开关搜索和使用 SCA 进行相位/波束成形的迭代解，以及使用基于对偶的方法对开关进行。
• 为单用户的功率提供闭式能量效率解，并为多用户的 RIS 开关问题提供对偶方法、松弛到整数的近似。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在每用户速率约束下，在分布式 RIS 网络中最大化能源效率？
• RQ2 开启/关闭 RIS 对能源效率的影响，以及如何最优选择激活哪些 RIS？
• RQ3 相位移优化和波束成形如何与 RIS 激活相互作用，以在单用户与多用户情景中最大化性能？

主要发现

• 所提出的方案在单用户情况下相较于传统 RIS 方案实现了高达 33% 的能源效率提升。
• 在多用户情况下相较于放大再中继（AF）中继实现了高达 68% 的能源效率提升。
• SCA 提供了局部最优的相位解，且在单用户算法下具有收敛性。
• 为单用户 EE 优化推导出闭式最优传输功率。
• 对于多用户，采用低复杂度贪婪开关方法和对偶方法（带对整数松弛）来确定 RIS 激活同时保持 EE。
• 数值结果验证了分布式 RIS 相较基线在提升能源效率方面的有效性。