[논문 리뷰] Beyond Intelligent Reflecting Surfaces: Reflective-Transmissive Metasurface Aided Communications for Full-dimensional Coverage Extension

Shuhang Zhang, Hongliang Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 15.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 반사 및 투과 신호 전송을 가능하게 하여 전방위 무선 커버리지를 연장하는 지능형 옴니서피스(Intelligent Omni-Surface, IOS)를 제안한다. 기존의 지능형 반사면(Intelligent Reflecting Surface, IRS)보다 뛰어난 성능을 발휘한다. 반사 및 투과 경로의 위상 시프트를 함께 최적화하기 위해 분기 및 경계 알고리즘을 사용함으로써 IOS는 기존의 유선 시스템 대비 최대 20배 높은 스펙트럼 효율성을 달성하며, 동일한 크기의 IRS 대비 평균 스펙트럼 효율에서 67% 향상을 이룬다.

ABSTRACT

In this paper, we study an intelligent omni-surface (IOS)-assisted downlink communication system, where the link quality of a mobile user (MU) can be improved with a proper IOS phase shift design. Unlike the intelligent reflecting surface (IRS) in most existing works that only forwards the signals in a reflective way, the IOS is capable to forward the received signals to the MU in either a reflective or a transmissive manner, thereby enhancing the wireless coverage. We formulate an IOS phase shift optimization problem to maximize the downlink spectral efficiency (SE) of the MU. The optimal phase shift of the IOS is analysed, and a branch-and-bound based algorithm is proposed to design the IOS phase shift in a finite set. Simulation results show that the IOS-assisted system can extend the coverage significantly when compared to the IRS-assisted system with only reflective signals.

연구 동기 및 목표

• 반사만 하는 기존의 지능형 반사면(Intelligent Reflecting Surface, IRS)이 신호를 반사하기만 하여 한쪽면을 커버하지 못하는 제한점을 해결하기 위해.
• 반사 및 투과를 동시에 수행할 수 있는 지능형 옴니서피스(Intelligent Omni-Surface, IOS)를 활용한 새로운 통신 프레임워크를 개발하기 위해.
• IOS에 최적의 위상 시프트 설계를 통해 스펙트럼 효율(Spectral Efficiency, SE) 최대화 문제를 수립하고 해결하기 위해.
• 커버리지 및 스펙트럼 효율 측면에서 IOS가 IRS 및 기존 유선 시스템에 비해 얼마나 뛰어난 성능 향상을 보이는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 전기적으로 제어 가능한 요소를 갖춘 IOS에 대한 새로운 물리적 모델을 제안하여 반사 및 투과 신호 조작을 지원한다.
• 직접 경로, 반사 경로, 투과 경로의 초월을 고려한 채널을 초월한 모델링을 수행하며, 각 경로의 경로 손실과 위상 시프트를 반영한다.
• 직선 시야(Line-of-Sight, LoS) 및 비직선 시야(Non-Line-of-Sight, NLoS) 구성요소를 포함한 총 채널 이득 식을 유도하며, 위상 시프트는 반사 및 투과 경로에만 영향을 미친다.
• 직접 경로와 위상이 일치하도록 각 요소의 최적 위상 시프트를 기하학적 경로 차이의 함수로 설정한다.
• 완전한 탐색을 피하기 위해 유한한 집합 내에서 최적의 위상 시프트를 탐색하기 위한 분기 및 경계 알고리즘을 개발한다.
• 무작위 다중 사용자(MU) 배치를 가진 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 평균 스펙트럼 효율 및 커버리지 확장을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반사 및 투과를 모두 지원하는 IOS가 기존의 IRS보다 다운링크 스펙트럼 효율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 IOS의 위상 시프트 설계는 직접, 반사, 투과 경로의 병합 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 모든 측면에 있는 이동 사용자에게 효과적인 채널 이득을 최대화하기 위해 IOS의 각 요소에 최적의 위상 시프트는 무엇인가?
• RQ4 IOS의 크기가 평균 스펙트럼 효율과 커버리지 확장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 실내 환경에서 IOS는 IRS 및 직접 경로 전용 유선 시스템에 비해 어떤 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• 10×10 요소를 가진 IOS는 기존 유선 시스템 대비 약 20배 높은 평균 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 동일한 크기의 경우 IOS는 반사면(IRS) 대비 평균 스펙트럼 효율을 67% 더 높게 향상시키며, 양면 커버리지가 가능한 전면적 커버리지 덕분이다.
• 제안된 분기 및 경계 알고리즘은 유한한 집합 내에서 근사 최적의 위상 시프트를 효율적으로 탐색하여 완전한 탐색을 피할 수 있다.
• 각 IOS 요소의 위상 시프트가 직접 LoS 경로와 위상이 일치할 경우 스펙트럼 효율이 최대화된다.
• 커버리지가 IOS의 양쪽면으로 확장되며, IRS는 입사 측면의 사용자만 지원하므로 IOS는 전방위 이동 사용자 지원에 더 우수하다.
• IOS 크기가 증가함에 따라 스펙트럼 효율 증가율은 둔화되며, 일정한 요소 수를 초과하면 수익 감소 현상이 나타남을 시사한다.