[논문 리뷰] How to Deploy Intelligent Reflecting Surfaces in Wireless Network: BS-side, User-side, or Both Sides?

Changsheng You, Beixiong Zheng외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 07.

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 네트워크 성능을 최대화하기 위해 기지국(BS) 측과 사용자 측 IRS를 조합하는 하이브리드 지능형 반사면(IRS) 도입 전략을 제안한다. 협동적 수동 beamforming과 사용자-IRS 유연한 연결성을 통해 하이브리드 접근 방식은 특히 큰 IRS 개구부 크기를 가질 경우 뛰어난 최소율 성능을 달성하며, 이중 반사 링크로 인한 커버리지 향상과 beamforming 이득 덕분에 단일 측면 도입 방식을 능가한다.

ABSTRACT

The performance of wireless communication systems is fundamentally constrained by the random and uncontrollable wireless channel. By leveraging the recent advance in digitally-controlled metasurface, intelligent reflecting surface (IRS) has emerged as a promising solution to enhance the wireless network performance by smartly reconfiguring the radio propagation environment. Despite the substantial research on IRS-aided communications, this article addresses the important issue of how to deploy IRSs in a wireless network to achieve its optimum performance. We first compare the two conventional strategies of deploying IRS at the side of base station or distributed users in terms of various communication performance metrics, and then propose a new hybrid IRS deployment strategy by combining their complementary advantages. Moreover, the main challenges in optimizing IRS deployment as well as their promising solutions are discussed. A case study is also presented to compare the performance of different IRS deployment strategies and draw useful insights for practical design.

연구 동기 및 목표

• 무선 네트워크에서 지능형 반사면(IRS)을 어디에 도입할 것인지 성능을 극대화하기 위한 핵심 설계 과제를 해결하기 위해.
• 커버리지, beamforming 이득, 신호 전송 오버헤드 측면에서 기존의 단일 측면 IRS 도입 방식(BS 측 또는 사용자 측)을 비교하기 위해.
• 양측 모두의 상호보완적 이점을 결합한 새로운 하이브리드 IRS 도입 전략을 제안하기 위해.
• 사용자-IRS 연결, 채널 추정, 반사 요소 할당 등 하이브리드 IRS 도입의 핵심 최적화 과제를 분석하기 위해.
• 다양한 네트워크 조건 하에서 단일 측면 전략 대비 하이브리드 IRS 도입 전략의 성능 향상에 대한 정량적 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 협동적 수동 beamforming을 가능하게 하기 위해 기지국 측과 사용자 측 IRS를 모두 포함하는 하이브리드 IRS 도입 모델을 제안한다.
• 시스템의 최소율(min-rate)을 극대화하기 위해 사용자-IRS 연결 및 반사 요소 할당을 위한 공동 최적화 프레임워크를 도입한다.
• 기지국 측 IRS와 사용자 측 IRS를 통해 반사된 신호의 채널 이득을 활용하기 위해 이중 반사 링크 모델을 사용한다.
• 최적의 사용자-IRS 연결을 위해 전수 검색을 적용하고, 다양한 IRS 도입 구성에 따른 성능을 비교한다.
• IRS 보조 무선 시스템에서 경로 손실, 위상 이동, 채널 통계를 고려한 신호 모델을 사용한다.
• 다양한 총 반사 요소 수(M)를 가진 3명의 사용자 시나리오를 사용하여 수치적 평가를 수행하고, 다양한 도입 전략 간 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BS 측 IRS 도입 방식의 성능이 사용자 측 IRS 도입 방식과 비교할 때 커버리지와 최소율 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ2 실제 무선 네트워크에서 단일 측면 IRS 도입 방식(BS 측 또는 사용자 측)의 주요 장점과 한계는 무엇인가?
• RQ3 BS 측과 사용자 측 IRS를 모두 조합한 하이브리드 IRS 도입 전략이 단일 측면 도입 방식보다 더 나은 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 반사 요소 수(M)가 다양한 IRS 도입 전략의 성능 향상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이중 반사 링크(양측 IRS를 통해)가 하이브리드 IRS 도입에서의 구현 가능한 전송률과 시스템 공정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 하이브리드 IRS 도입 전략은 모든 테스트 구성에서 가장 높은 최소율을 달성하며, 특히 총 반사 요소 수 M이 1200을 초과할 경우 두드러진다.
• M < 1000일 경우 단일 반사 링크의 강도가 더 크기 때문에 BS 측 IRS 도입 방식이 하이브리드 전략을 능가하지만, M > 1200일 경우 하이브리드 전략이 이를 뛰어넘는다.
• 사용자 측 IRS 도입 방식은 M이 증가함에 따라 성능 향상이 미미하며, 많은 사용자가 개별 IRS의 국소 커버리지 외부에 머무르기 때문이다.
• 하이브리드 전략은 모든 사용자가 적어도 하나의 IRS에 의해 서비스받을 수 있도록 하여, 단일 측면 도입 방식에서 발생하는 커버리지 빈도를 제거한다.
• 사용자 2는 이중 반사 링크를 통해 고차수 수동 beamforming 이득을 얻어, 시스템 내에서 더 유연한 전송률 균형 조정이 가능하다.
• M이 클수록 상호 IRS 간 협동 beamforming을 활용함으로써 하이브리드 도입 전략이 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.