[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces for Energy Efficiency in Wireless Communication

Chongwen Huang, Alessio Zappone+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 65被引用 3,715

一句话总结

本文提出两种低复杂度、收敛的算法，用于在智能反射面（RIS）辅助的多用户MIMO下行链路系统中优化能量效率（EE），在服务质量（QoS）和功率约束下联合优化发射功率与RIS相位偏移。通过利用序列分数规划和基于真实RIS功耗模型的交替最大化梯度下降法，该方法实现的EE比传统放大-转发中继高出最多300%。

ABSTRACT

The adoption of a Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) for downlink multi-user communication from a multi-antenna base station is investigated in this paper. We develop energy-efficient designs for both the transmit power allocation and the phase shifts of the surface reflecting elements, subject to individual link budget guarantees for the mobile users. This leads to non-convex design optimization problems for which to tackle we propose two computationally affordable approaches, capitalizing on alternating maximization, gradient descent search, and sequential fractional programming. Specifically, one algorithm employs gradient descent for obtaining the RIS phase coefficients, and fractional programming for optimal transmit power allocation. Instead, the second algorithm employs sequential fractional programming for the optimization of the RIS phase shifts. In addition, a realistic power consumption model for RIS-based systems is presented, and the performance of the proposed methods is analyzed in a realistic outdoor environment. In particular, our results show that the proposed RIS-based resource allocation methods are able to provide up to $300\%$ higher energy efficiency, in comparison with the use of regular multi-antenna amplify-and-forward relaying.

研究动机与目标

• 通过探索RIS作为传统中继的低功耗替代方案，解决5G及以后网络中的能量效率挑战。
• 基于反射单元数量和相位分辨率能力，构建一个真实的RIS功耗消耗模型。
• 在满足单个用户QoS和发射功率约束的条件下，优化联合发射功率分配与RIS相位偏移，以最大化EE。
• 为RIS辅助系统中的非凸EE优化问题，设计计算成本低廉且可证明收敛的算法。
• 在真实室外环境中评估性能，将RIS与传统AF中继进行对比。

提出的方法

• 基于反射单元数量及其相位分辨率能力，提出一个真实的RIS功耗模型。
• 建立一个带有RIS相位偏移单位模约束和用户QoS保障的非凸EE最大化问题。
• 设计两种基于交替最大化的算法：一种采用梯度下降法优化RIS相位偏移，分数规划法优化功率分配；另一种采用序列分数规划法优化RIS。
• 在基于梯度的算法中应用共轭梯度搜索以优化相位偏移。
• 将功率约束和最小速率要求整合进优化框架，以确保QoS。
• 在真实室外仿真中，与全功率分配和总频谱效率最大化策略进行性能对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室外蜂窝网络中，RIS系统能否显著提升能量效率，相比传统放大-转发中继？
• RQ2 在速率增益与硬件功耗之间权衡下，RIS尺寸（反射单元数量）与能量效率之间的最优权衡是什么？
• RQ3 相位分辨率和反射单元数量如何影响RIS辅助系统中可实现的EE？
• RQ4 低复杂度、可收敛的算法能否有效解决具有RIS相位偏移单位模约束的非凸EE优化问题？
• RQ5 在真实室外场景中，RIS系统性能如何随用户数和基站天线数的增加而变化？

主要发现

• 所提出的基于SFP的算法实现了接近最优的频谱效率，与穷举全局优化结果高度一致。
• RIS系统实现的EE比传统放大-转发中继系统高出最多300%。
• 能量效率随RIS单元数量的增加先上升后下降，表明存在一个最优RIS尺寸。
• 对于小到中等规模的RIS，EE随单元数量增加而提升，但超过某一阈值后，功耗增加超过频谱增益带来的收益。
• 最优RIS单元数量取决于系统参数，如用户数、基站天线数和单个RIS单元的功耗。
• 所提算法与全局优化结果之间的性能差距极小，验证了低复杂度设计的有效性。