[논문 리뷰] Intelligent Omni-Surface: Ubiquitous Wireless Transmission by Reflective-Transmissive Metasurface

Shuhang Zhang, Hongliang Zhang외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 40인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 유저가 표면의 양측에 위치한 경우에도 동시에 반사 및 굴절을 가능하게 하는 재구성 가능한 지능형 표면(이하 IOS)을 제안한다. 이는 전통적인 지능형 반사 표면(IRS)의 한계를 극복하여 커버리지 범위를 크게 확장한다. 다중 안테나 기지국에서 위상 이동과 빔포밍을 공동 최적화함으로써, 유리한 조건에서 IOS는 IRS 대비 최대 2배의 합산 속도 향상을 달성하며, 이론적 분석과 시뮬레이션 결과를 통해 IOS의 우수한 커버리지 및 스펙트럼 효율성을 입증한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS), which is capable to adjust propagation conditions by controlling phase shifts of the reflected waves that impinge on the surface, has been widely analyzed for enhancing the performance of wireless systems. However, the reflective properties of widely studied IRSs restrict the service coverage to only one side of the surface. In this paper, to extend the wireless coverage of communication systems, we introduce the concept of intelligent omni-surface (IOS)-assisted communication. More precisely, IOS is an important instance of reconfigurable intelligent surface (RIS) that is capable to provide service coverage to the mobile users (MUs) in a reflective and a transmissive manner. We consider a downlink IOS-assisted communication system, where a multi-antenna small base station (SBS) and an IOS perform beamforming jointly, to improve the received power of multiple MUs on both sides of the IOS, through different reflective/transmissive channels. To maximize the sum-rate, we formulate a joint IOS phase shift design and SBS beamforming optimization problem, and propose an iterative algorithm to solve the resulting non-convex program efficiently. Both theoretical analysis and simulation results show that an IOS significantly extends the service coverage of the SBS when compared to an IRS.

연구 동기 및 목표

• 기존 지능형 반사 표면(IRS)이 신호 소스와 같은 쪽에 있는 유저만 서비스하는 단일 방향 커버리지의 한계를 해결하기 위해.
• 반사 및 굴절 기능을 동시에 구현하여 표면의 양측에 있는 유저에게 서비스를 제공함으로써 무선 서비스 커버리지 범위를 확장하기 위해.
• 합산 속도를 최대화하기 위해 IOS 위상 이동과 기지국 빔포밍을 공동 최적화하는 프레임워크를 설계하기 위해.
• 다중 사용자 다운링크 환경에서 IOS의 우수한 커버리지 및 스펙트럼 효율성을 이론적 및 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 반사 및 굴절 신호를 제어할 수 있는 프ogrammable PIN 다이오드를 탑재한 반사-투과 메타표면 아키텍처를 제안한다.
• 다중 안테나 소형 기지국(SBS)과 IOS를 포함한 다운링크 시스템을 모델링하며, 별도의 반사 및 굴절 채널을 통해 표면의 양측에 있는 유저를 서비스한다.
• 합산 속도 최대화를 위해 IOS 위상 이동과 SBS 빔포밍을 공동 설계하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 교차 최적화와 순차적 볼록 근사 기법을 활용하여 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위한 반복 알고리즘을 제안한다.
• 합산 속도 함수의 도함수 분석을 통해 반사 및 굴절 신호 간 최적의 전력 분할 조건을 이론적으로 도출한다.
• 이론적 분석과 시뮬레이션을 통해 시스템 모델을 검증하며, 대칭 및 비대칭 사용자 배치 조건에서 IRS와의 비교 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반사 및 굴절을 통해 표면의 양측에 동시에 유저를 서비스할 수 있는 재구성 가능한 메타표면을 설계할 수 있는가?
• RQ2 IOS 위상 이동과 기지국 빔포밍을 공동 최적화함으로써 기존 IRS 대비 합산 속도는 어떻게 향상되는가?
• RQ3 다중 사용자 다운링크 시스템에서 IOS의 합산 속도 향상 최상한 이론적 상한은 얼마인가?
• RQ4 반사 및 굴절 신호 간 최적의 전력 비율은 사용자 채널 조건에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 사용자 위치의 대칭성은 IOS가 IRS 대비 성능 향상에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 고전적 IRS 대비 신호 전력이 높고 사용자 채널 이득이 균형을 이루는 점점 더 큰 신호 강도에서 IOS는 합산 속도 향상 최대 2배를 달성한다.
• 이론적 분석을 통해 합산 속도는 사용자 채널 이득에 비례하는 반사 및 굴절 신호 간 전력 비율 설정 시 최대가 됨을 증명한다.
• 시뮬레이션 결과는 IOS가 서비스 커버리지를 크게 확장하여 표면의 양측에 있는 사용자에게 신뢰할 수 있는 통신을 가능하게 함을 확인한다.
• 반복 알고리즘은 단편적인 위상 이동 해상도 조건에서도 효율적으로 수렴하며 실용적 상황에서 근사 최적의 합산 속도 성능을 달성한다.
• 사용자 채널 이득이 대칭일 경우, 반사 및 굴절 간 최적의 전력 분할 비율은 1:1이며, 균형 잡힌 조건에서 합산 속도를 최대화한다.
• 어떤 사용자 분포나 채널 조건이든 IOS 보조 시스템의 합산 속도는 항상 IRS 보조 시스템의 두 배 이하로 상한선이 존재한다.