다중 STAR-RIS 지원 MIMO-NOMA의 GSVD 프리코딩 기반 분석 및 최적화: 연산자 값 자유 확률 이론적 접근

Temel Kavramlar

본 논문에서는 다중 STAR-RIS가 지원되는 MIMO-NOMA 시스템의 성능을 향상시키기 위해 GSVD 프리코딩 기법을 사용하고, 연산자 값 자유 확률 이론을 적용하여 사용자의 점근적 정보율을 분석하고 최적화하는 방법을 제시합니다.

Özet

다중 STAR-RIS 지원 MIMO-NOMA 시스템 분석 및 최적화: 연산자 값 자유 확률 이론적 접근

본 연구는 다중 STAR-RIS가 지원되는 하향링크 MIMO-NOMA 시스템에서 GSVD 프리코딩 기법을 사용하여 사용자의 정보율을 최대화하는 것을 목표로 합니다. 특히, 일반적인 Rician 페이딩 채널 모델을 고려하여 실제 환경에 더욱 근접한 분석을 수행합니다.

시스템 모델: 본 논문에서는 다중 STAR-RIS가 배치된 환경에서 BS가 두 명의 사용자에게 동시에 데이터를 전송하는 MIMO-NOMA 시스템을 고려합니다. 각 STAR-RIS는 전송 및 반사 기능을 동시에 수행하며, Weichselberger의 상관관계 구조를 갖는 Rician 페이딩 채널 모델을 사용합니다.
GSVD 프리코딩: 사용자 간 간섭을 제거하고 성능을 향상시키기 위해 GSVD 프리코딩 기법을 적용합니다. GSVD 프리코딩은 MIMO-NOMA 채널을 여러 개의 병렬 MU-SISO 서브채널로 변환하여 각 서브채널에서의 신호 처리 복잡성을 줄입니다.
연산자 값 자유 확률 이론: 채널의 점근적 정보율을 분석하기 위해 연산자 값 자유 확률 이론을 적용합니다. 이를 통해 MIMO-NOMA 채널 행렬의 일반화된 특이값 (GSV)의 Cauchy 변환을 얻고, Riemann 적분을 사용하여 정보율을 계산합니다.
특수 케이스 분석: BS와 STAR-RIS 간의 채널이 결정론적인 특수한 경우를 고려하여 사용자의 점근적 정보율에 대한 closed-form 표현식을 유도합니다.
PGAM 최적화 알고리즘: 유도된 closed-form 표현식을 기반으로 STAR-RIS의 위상 편이, 전송 및 반사 계수를 공동으로 최적화하여 두 사용자의 합률을 최대화하는 PGAM 알고리즘을 제안합니다.

Önemli Bilgiler Şuradan Elde Edildi

Analysis and Optimization of Multiple-STAR-RIS Assisted MIMO-NOMA with GSVD Precoding: An Operator-Valued Free Probability Approach

by Siqiang Wang... : arxiv.org 11-15-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.09130.pdf

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두 명 이상의 사용자가 있는 경우 시스템 성능 분석 및 최적화

본 논문에서 제시된 시스템 모델은 두 명의 사용자만을 고려했지만, 더 많은 사용자가 있는 경우에도 시스템 성능 분석 및 최적화를 수행할 수 있습니다.

사용자 그룹화: 여러 사용자를 쌍으로 나누어 각 쌍에 GSVD 프리코딩 기반 MIMO-NOMA 기법을 적용할 수 있습니다. 이때, 서로 다른 그룹에 속한 사용자들은 직교 시간-주파수 자원 블록(예: 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 방식)을 사용하여 구분할 수 있습니다.

다중 사용자 MIMO-NOMA 기법 적용: 사용자 그룹화 없이 모든 사용자를 동시에 처리하기 위해 다중 사용자 MIMO-NOMA 기법을 적용할 수 있습니다. 이 경우, 더 복잡한 프리코딩 및 디코딩 기법이 필요하며, 사용자 간의 간섭을 효과적으로 제어하는 것이 중요합니다.

반복적인 최적화 알고리즘 활용: 많은 사용자가 있는 경우, 최적의 시스템 성능을 얻기 위해 반복적인 최적화 알고리즘을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 사용자 스케줄링, 전력 할당, STAR-RIS 위상 제어 등을 반복적으로 최적화하여 시스템 용량을 극대화할 수 있습니다.

머신 러닝 기반 최적화: 다수 사용자 환경에서 채널 상태, 사용자 위치 등의 정보를 학습하여 STAR-RIS의 위상 편이, 전력 할당, 빔포밍 등을 최적화하는 데 머신 러닝 기법을 활용할 수 있습니다.

다만, 사용자 수가 증가할수록 시스템 복잡도가 증가하고, 계산량 또한 기하급수적으로 늘어날 수 있다는 점을 고려해야 합니다. 따라서 실제 시스템 구현 시에는 사용자 수와 시스템 복잡도 간의 트레이드 오프를 고려하여 최적화 기법을 선택해야 합니다.

STAR-RIS 요소의 하드웨어적 제약의 영향

STAR-RIS 요소의 하드웨어적 제약, 특히 위상 편이 오류나 양자화 효과는 시스템 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

위상 편이 오류: 이상적인 STAR-RIS는 연속적인 위상 편이를 제공하지만, 실제 구현된 STAR-RIS는 하드웨어 제약으로 인해 이산적인 위상 편이 값만 가질 수 있습니다. 이러한 위상 편이 오류는 STAR-RIS의 빔포밍 성능을 저하시키고, 원하는 사용자에게 신호를 정확하게 전송하지 못하게 하여 간섭을 증가시키고 신호품질을 떨어뜨립니다.

양자화 효과: 위상 편이 오류와 마찬가지로, STAR-RIS 요소의 진폭 제어 또한 하드웨어 제약으로 인해 제한적인 해상도로 양자화될 수 있습니다. 이러한 양자화 효과는 STAR-RIS의 전송 및 반사 계수를 정확하게 제어하지 못하게 하여 시스템 성능 저하를 야기합니다.

시스템 성능에 미치는 영향 완화 방법:

고해상도 위상 및 진폭 제어: 위상 편이 오류와 양자화 효과를 최소화하기 위해서는 고해상도의 위상 및 진폭 제어 회로를 사용하는 것이 중요합니다.
보상 알고리즘 개발: 하드웨어적 제약을 보상하기 위한 알고리즘을 개발하여 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 위상 편이 오류를 추정하고 이를 보상하는 알고리즘을 통해 빔포밍 성능을 개선할 수 있습니다.
머신 러닝 기반 최적화: 머신 러닝 기법을 활용하여 하드웨어적 제약을 고려한 STAR-RIS 최적화 기법을 개발할 수 있습니다. 예를 들어, 제한된 위상 편이 값을 갖는 STAR-RIS에서 최적의 성능을 얻도록 위상 편이를 학습할 수 있습니다.
결론적으로, STAR-RIS 요소의 하드웨어적 제약은 시스템 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로, 이를 고려한 시스템 설계 및 최적화가 필수적입니다.

머신 러닝 기법을 사용한 STAR-RIS 지원 MIMO-NOMA 시스템 성능 향상

머신 러닝 기법은 STAR-RIS 지원 MIMO-NOMA 시스템의 성능을 향상시키는 데 유용한 도구가 될 수 있습니다.

채널 상태 정보 예측: 머신 러닝을 사용하여 채널 상태 정보를 예측하고, 이를 기반으로 STAR-RIS의 위상 편이, 전력 할당, 빔포밍 등을 최적화할 수 있습니다. 특히, 딥 러닝 기법은 복잡한 채널 환경에서도 높은 예측 정확도를 보여줍니다.

사용자 스케줄링 및 전력 할당: 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 사용자 스케줄링 및 전력 할당을 최적화하여 시스템 용량 및 사용자 fairness를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 강화 학습 기법을 사용하여 시간에 따라 변화하는 채널 환경에 적응적으로 사용자를 스케줄링하고 전력을 할당할 수 있습니다.

STAR-RIS 배치 최적화: 머신 러닝 기법을 사용하여 주어진 환경에서 STAR-RIS의 최적 배치 위치를 결정할 수 있습니다. 이를 통해 STAR-RIS의 커버리지 및 시스템 성능을 극대화할 수 있습니다.

빔포밍 벡터 최적화: MIMO 시스템에서 빔포밍은 중요한 기술이며, 머신 러닝을 사용하여 채널 환경에 최적화된 빔포밍 벡터를 생성할 수 있습니다. 딥 러닝 기반 빔포밍 기술은 기존 기술보다 우수한 성능을 보여주고 있습니다.

하드웨어 제약 고려 최적화: 앞서 언급했듯이, 머신 러닝을 사용하여 STAR-RIS 요소의 하드웨어적 제약을 고려한 최적화 기법을 개발할 수 있습니다.

머신 러닝 기반 최적화 기법을 적용할 때는 충분한 양의 학습 데이터 확보, 학습 모델의 복잡도 제어, 실시간 환경 변화에 대한 적응성 확보 등의 문제를 고려해야 합니다.