[논문 리뷰] Achievable Rate Analyses and Phase Shift Optimizations on Intelligent Reflecting Surface with Hardware Impairments

Zhe Xing, Rui Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 46인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 수신기 및 인텔리전트 반사 표면(IR)에서의 하드웨어 결함(HWI)이 있는 인텔리전트 반사 표면(IRS) 지원 시스템에서의 구현 가능한 속도 및 반사 위상 보정 최적화를 분석한다. 평균 구현 가능한 속도 및 IRS 유틸리티에 대한 폐쇄형 표현을 유도하고, 비볼록 최적화 문제를 정규화된 준선형계획법(SDP)으로 변환함으로써, 반사 요소 수가 많거나 전송 전력이 높을 경우 하드웨어 결함으로 인한 성능 저하에도 불구하고 IRS가 전통적인 디코딩-포워딩(DF) 리피터보다 우월함을 보여준다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned as a promising hardware solution to hardware cost and energy consumption in the fifth-generation (5G) mobile communication network. It exhibits great advantages in enhancing data transmission, but may suffer from performance degradation caused by inherent hardware impairment (HWI). For analysing the achievable rate (ACR) and optimizing the phase shifts in the IRS-aided wireless communication system with HWI, we consider that the HWI appears at both the IRS and the signal transceivers. On this foundation, first, we derive the closed-form expression of the average ACR and the IRS utility. Then, we formulate optimization problems to optimize the IRS phase shifts by maximizing the signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver side, and obtain the solution by transforming non-convex problems into semidefinite programming (SDP) problems. Subsequently, we compare the IRS with the conventional decode-and-forward (DF) relay in terms of the ACR and the utility. Finally, we carry out simulations to verify the theoretical analysis, and evaluate the impact of the channel estimation errors and residual phase noises on the optimization performance. Our results reveal that the HWI reduces the ACR and the IRS utility, and begets more serious performance degradation with more reflecting elements. Although the HWI has an impact on the IRS, it still leaves opportunities for the IRS to surpass the conventional DF relay, when the number of reflecting elements is large enough or the transmitting power is sufficiently high.

연구 동기 및 목표

• IRS 보조 무선 시스템에서 하드웨어 결함(HWI)이 구현 가능한 속도 및 IRS 유틸리티에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• IRS 및 수신기 양측에서 하드웨어 결함 영향을 모델링하여 현실적인 하드웨어 제약 조건을 반영하기 위해.
• 비볼록 위상 보정 최적화 문제를 정규화된 준선형계획법(SDP)을 통해 해결하여 수신기 신호대임계비(SNR)를 최대화하기 위해.
• 구현 가능한 속도 및 유틸리티 측면에서 전통적인 디코딩-포워딩(DF) 리피터와의 성능 비교를 위해.
• 채널 추정 오차 및 잔여 위상 노이즈가 최적화 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• IRS 및 수신기 양측에서 동시 하드웨어 결함이 존재하는 조건에서 평균 구현 가능한 속도(ACR)에 대한 폐쇄형 표현을 유도한다.
• 하드웨어 제약 조건 하에서 시스템 성능를 정량화하기 위해 IRS 유틸리티 지표를 도입한다.
• 비볼록 위상 보정 최적화 문제를 해석 가능한 해를 갖는 정규화된 준선형계획법(SDP) 문제로 변환한다.
• 정규화된 준선형계획법의 풀이를 위해 랭크-1 분해 기법과 준선형 이완 기법을 적용한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 ACR 표현의 정확성을 검증하고 채널 추정 오차 및 잔여 위상 노이즈에 대한 강인성을 평가한다.
• 동일한 시스템 조건 하에서 IRS 성능을 전통적인 디코딩-포워딩(DF) 리피터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 및 수신기에서의 하드웨어 결함이 IRS 보조 시스템의 구현 가능한 속도 및 IRS 유틸리티에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 하드웨어 결함이 존재하는 조건에서 수신기의 신호대임계비를 최대화하기 위한 최적의 위상 보정 설정은 무엇인가?
• RQ3 어떤 조건에서 IRS가 구현 가능한 속도 및 유틸리티 측면에서 전통적인 디코딩-포워딩(DF) 리피터를 능가할 수 있는가?
• RQ4 채널 추정 오차 및 잔여 위상 노이즈는 IRS 시스템의 위상 보정 최적화 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 반사 요소의 수가 하드웨어 결함이 시스템 성능에 미치는 영향에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 하드웨어 결함은 구현 가능한 속도 및 IRS 유틸리티를 모두 저하시키며, 반사 요소 수가 증가할수록 저하 정도가 더욱 심화된다.
• 하드웨어 결함으로 인한 성능 저하에도 불구하고, 반사 요소 수가 충분히 많을 경우 IRS는 여전히 전통적인 디코딩-포워딩(DF) 리피터를 능가할 수 있다.
• 전송 전력이 충분히 높을 경우, 하드웨어 결함이 존재하더라도 IRS는 DF 리피터보다 더 높은 구현 가능한 속도를 달성할 수 있다.
• 하드웨어 결함의 영향은 반사 요소 수가 많은 시스템에서 더욱 두드러지므로, 이러한 조건 하에서 강인한 설계가 필요하다.
• 채널 추정 오차 및 잔여 위상 노이즈는 최적화 성능을 저하시키지만, 제안된 SDP 기반 접근법은 상당한 강인성을 유지한다.
• 유도된 평균 구현 가능한 속도에 대한 폐쇄형 표현은 시뮬레이션 결과와 정확히 일치하여 이론적 분석의 타당성을 검증한다.