[논문 리뷰] 3D Beamforming in Reconfigurable Intelligent Surfaces-assisted Wireless Communication Networks.

S. Mohammad Razavizadeh, Tommy Svensson|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기본국지의 전방향 안테나 어레이를 사용하여 복사 패턴, RIS의 위상 이동, 기울기/고도 각도를 공동 최적화하는 3차원 빔포밍 기법을 제안한다. 3차원 파면 제어와 공동 최적화를 통해 스펙트럼 효율성과 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시켜 전통적인 시스템에 비해 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) or Intelligent Reflecting Surfaces (IRS) are metasurfaces that can be deployed in various places in wireless environments to make these environments controllable and reconfigurable. In this paper, we investigate the problem of using 3D beamforming in RIS-empowered wireless networks and propose a new scheme that provides more degrees of freedom in designing and deploying the RIS-based networks. In the proposed scheme, a base station (BS) equipped with a full dimensional array of antennas optimizes its radiation pattern in the three dimensional space to maximize the received signal to noise ratio at a target user. We also study the effect of angle of incidence of the received signal by the RIS on its reflecting properties and find a relation between this angle and the BS antenna array's tilt and elevation angles. The user receives the signal from a reflected path from the RIS as well as from a direct path from the BS which both depend on the BS antenna array's tilt and elevation angles. These angles and also the RIS element's phase shifts are jointly numerically optimized. Our simulation results show that using RIS-assisted 3D beamforming with optimized phase shifts and radiation angles can considerably improve the performance of wireless networks.

연구 동기 및 목표

• 기존 RIS 지원 시스템의 자유도 제한 문제를 해결하기 위해 전방향 안테나 어레이를 활용한 3차원 빔포밍 도입.
• 입사각이 RIS 반사 특성에 미치는 영향과 기지국 안테나 어레이의 기울기 및 고도 각도와의 관계 탐구.
• 사용자 수신 SNR를 최대화하기 위해 기지국의 복사 패턴과 RIS 요소의 위상 이동을 공동 최적화.
• RIS 보조 네트워크에서 직접 경로와 반사 경로를 모델링하고 활용하여 시스템 성능 향상.
• 기존 2차원 빔포밍 대비 최적화된 RIS 및 빔포밍 파arameter를 적용한 3차원 빔포밍의 성능 향상 입증.

제안 방법

• 기지국에 전방향 안테나 어레이를 활용하여 3차원 공간에서 복사 패턴을 제어하고, 수평 및 수직 방향의 동적 빔 스위핑을 가능하게 한다.
• RIS에서의 신호 반사를 입사각의 함수로 모델링하여, 이 각도와 기지국 안테나 어레이의 기울기 및 고도 각도 사이의 수학적 관계 수립.
• 사용자 수신 신호 대 잡음비(SNR)를 최대화하기 위해 기지국의 빔포밍 벡터와 RIS 요소의 위상 이동을 공동 최적화.
• 기지국에서 사용자로 향하는 직접 경로와 반사 경로를 모두 고려하며, 반사 경로의 특성은 RIS 구성 및 입사각에 따라 달라진다.
• 실용적 제약 조건 하에서 공동 빔포밍 및 위상 이동 설계 문제를 해결하기 위해 수치 최적화 기법을 활용.
• RIS 반사 효율성과 입사각 사이의 관계를 유도하며, 이는 기지국 빔의 기울기 및 고도 각도에 의해 영향을 받는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전방향 어레이를 활용한 3차원 빔포밍은 기존 2차원 빔포밍 대비 RIS-기반 무선 네트워크 성능에 어떻게 향상되는가?
• RQ2 RIS에 대한 입사각과 기지국 안테나 어레이의 기울기 및 고도 각도 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 직접 경로와 반사 경로가 RIS 보조 시스템에서 수신 SNR에 어떻게 공동 기여하는가?
• RQ4 빔포밍과 RIS 위상 이동을 동시에 최적화할 경우 시스템의 스펙트럼 효율성과 커버리지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 RIS 반사 이득은 입사각에 따라 어떻게 변화하며, 이를 빔포밍 설계에 어떻게 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 빔포밍과 RIS 위상 이동을 공동 최적화하는 제안된 3차원 빔포밍 기법은 사용자 수신 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 향상시킨다.
• RIS에 대한 입사각은 기지국 안테나 어레이의 기울기 및 고도 각도에 직접적으로 영향을 받으며, 이는 반사 효율성에 영향을 준다.
• 빔포밍과 RIS 위상 이동을 공동 최적화하면 고정 또는 부분 최적화된 구성의 시스템 대비 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.
• 시스템 모델에 직접 경로와 반사 경로를 모두 포함시킴으로써 더 나은 다양성 확보와 향상된 링크 신뢰성 달성.
• 시뮬레이션 결과는 최적화된 RIS 배치를 갖춘 3차원 빔포밍이 RIS-기반 환경에서 스펙트럼 효율성과 네트워크 커버리지 향상에 기여함을 확인한다.
• 제안된 기법은 네트워크 설계에 추가 자유도를 제공하여 복잡한 환경에서 더 유연하고 강력한 무선 통신을 가능하게 한다.