[논문 리뷰] Beamforming Designs and Performance Evaluations for Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Communication System with Hardware Impairments.

Yiming Liu, Erwu Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 1인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 하드웨어 결함이 있는 환경에서 인텔리전트 반사면(IR)을 활용한 무선 시스템에 대해 저복잡도 빔포밍 설계를 제안한다. 선형 최소제곱오차(LMMSE) 채널 추정과 기울기 하강 기반의 반사 빔포밍 알고리즘을 사용하며, 고가의 정밀 하드웨어 없이도 실용적인 결함 조건에서도 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 달성할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) can effectively control the wavefront of the impinging signals, and has emerged as a promising way to improve the energy and spectrum efficiency of wireless communication systems. Most existing studies were conducted with an assumption that the hardware operations are perfect without any impairment. However, both physical transceiver and IRS suffer from non-negligible hardware impairments in practice, which will bring some major challenges, e.g., increasing the difficulty and complexity of the beamforming designs, and degrading the system performance. In this paper, by taking hardware impairments into consideration, we make the transmit and reflect beamforming designs and evaluate the system performance. First, we utilize the linear minimum mean square error estimator to make the channel estimations, and analyze the factors that affect estimation accuracy. Then, we derive the optimal transmit beamforming vector, and propose a gradient descent method-based algorithm to obtain a sub-optimal reflect beamforming solution. Next, we analyze the asymptotic channel capacities by considering two types of asymptotics with respect to the transmit power and the numbers of antennas and reflecting elements. Finally, we analyze the power scaling law and the energy efficiency. By comparing the performance of our proposed algorithm with the upper bound on the performance of global optimal reflect beamforming solution, the simulation results demonstrate that our proposed algorithm can offer an outstanding performance with low computational complexity. The simulation results also show that there is no need to cost a lot on expensive antennas to achieve both high spectral efficiency and energy efficiency when the communication system is assisted by an IRS and suffer from hardware impairments.

연구 동기 및 목표

• 지능형 반사면(IR)을 활용한 무선 통신 시스템에서의 하드웨어 결함 문제를 해결하기 위해.
• 실용적인 하드웨어 결함에 강건한 전송 및 반사 빔포밍 설계를 위해.
• 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성, 용량 스케일링 법칙을 기준으로 시스템 성능을 평가하기 위해.
• 현실적인 하드웨어 제약 조건 하에서의 전력 스케일링 법칙과 에너지 효율성을 분석하기 위해.
• 고가의 정밀 하드웨어 구성 요소 없이도 높은 성능을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 하드웨어 결함 조건 하에서 정확한 채널 상태 정보 확보를 위해 선형 최소제곱오차(LMMSE) 추정을 사용한다.
• 하드웨어 결함 제약 조건 하에서 최적의 전송 빔포밍 벡터를 유도한다.
• 서브최적의 반사 빔포밍 해를 계산하기 위해 기울기 하강 기반 알고리즘을 제안한다.
• 고전압 전송 및 다수의 안테나/반사 요소 조건에서의 두 가지 영역에서의 점점 가까운 채널 용량을 분석한다.
• 전력 스케일링 법칙을 유도하고 하드웨어 결함 존재 조건 하에서의 에너지 효율성을 평가한다.
• 제안된 알고리즘의 성능을 전역 최적 반사 빔포밍의 이론적 상한선과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드웨어 결함은 IRS-보조 무선 시스템의 빔포밍 설계 및 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 하드웨어 결함은 채널 추정 정확도와 시스템 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 저복잡도 빔포밍 알고리즘이 하드웨어 결함 조건 하에서도 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 하드웨어 결함 조건 하에서 전송 전력과 시스템 차원에 따라 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성이 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 고가의 정밀 하드웨어 구성 요소에 의존하지 않고도 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 기울기 하강 기반 반사 빔포밍 알고리즘은 훨씬 낮은 계산 복잡도로 전역 최적 해에 가까운 성능을 달성한다.
• 하드웨어 결함은 시스템 성능을 저하시키지만, 적절히 빔포밍이 설계된다면 높은 스펙트럼 효율성을 유지할 수 있다.
• 점점 가까운 분석 결과, 전송 전력 증가 및 안테나 및 반사 요소 수 증가에 따라 시스템 용량이 증가함을 보여준다.
• 전력 스케일링 법칙은 IRS를 적용할 경우 전송 전력을 감소시켜도 스펙트럼 효율성을 유지할 수 있음을 시사한다.
• IRS 배치 시 에너지 효율성이 향상되며, 실용적인 결함 조건 하에서도 고가의 하드웨어 없이도 높은 성능을 달성할 수 있다.
• 시뮬레이션 결과는 IRS-보조 시스템에서 고가의 정밀 하드웨어가 필요 없이도 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 달성할 수 있음을 확인한다.