[논문 리뷰] Intelligent Reconfigurable Surface Aided Power Control for Physical-Layer Broadcasting

Huimei Han, Jun Zhao외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 사용자들의 서비스 품질(QoS) 제약 조건을 만족시키면서 전송 전력을 최소화하기 위해 기지국(BS)의 beamforming과 IRS의 위상 보정을 공동 최적화하는 지능형 재구성 가능 표면(IRS) 기반 전력 제어 방식을 제안한다. 시뮬레이션 결과, IRS를 활용한 시스템은 이론적 최소 전력에 매우 가까운 성능을 달성하며, 전통적인 비-IRS 기반 시스템보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS), a recently introduced technology, enhances spectral and energy efficiency by intelligently adjusting the propagation conditions between a base station (BS) and mobile users (MUs). An IRS consists of many low-cost passive reflecting elements, each of which can be controlled to change the phase of the incident signal to improve the quality of the received signal. In this paper, we study the problem of power control at the BS for the IRS-aided physical-layer broadcasting under the quality of service (QoS) constraints. Our goal is to minimize the transmit power at the BS by jointly designing the transmit beamforming at the BS and the phase shifts of the passive elements at the IRS, subject to each MUs signal-to-noise ratio constraint which characterizes MU's QoS. Furthermore, to validate the proposed optimization methods, we derive lower bounds of the minimum transmit power at the BS with respect to the number of MUs, the number of IRS elements, and the number of antennas at the BS. The simulation results demonstrate that the transmit power at the BS in the IRS-aided system is very close to the lower bound, and is significantly lower than the transmit power of conventional schemes without IRS.

연구 동기 및 목표

• IRS 기반 물리 계층 브로드캐스트 시스템에서 기지국(BS)의 전송 전력을 최소화하기 위해.
• 각 모바일 사용자(MU)의 서비스 품질(QoS) 요구 사항을 신호 대 잡음비(SNR) 제약 조건을 통해 충족하기 위해.
• 전력 효율성을 위해 BS 전송 beamforming과 IRS 수동 위상 보정을 공동 최적화하기 위해.
• 시스템 파라미터에 따라 최소 전송 전력의 이론적 하한을 유도하기 위해.
• 시뮬레이션을 통해 제안된 방식을 기존의 비-IRS 시스템과 비교 검증하기 위해.

제안 방법

• 전체 전송 전력을 최소화하기 위해 BS 전송 beamforming 벡터와 IRS 위상 보정을 공동 최적화하기 위해.
• 개별 MU의 SNR 제약 조건을 만족시키는 비볼록 최적화 문제로 문제를 수식화하기 위해.
• 반복적으로 beamforming 및 위상 보정 솔루션을 개선하기 위해 교차 최적화를 사용하기 위해.
• MU 수, IRS 요소 수, BS 안테나 수를 바탕으로 최소 전송 전력의 해석적 하한을 도출하기 위해.
• 비볼록 문제를 해결하기 위해 정규화된 준선형 프로그래밍과 순차적 볼록 근사 기법을 적용하기 위해.
• IRS 기반 및 기존 비-IRS 시스템 간의 비교를 통해 시뮬레이션을 통해 솔루션을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QoS 제약 조건 하에서 IRS 기반 물리 계층 브로드캐스트 시스템에서 BS의 전송 전력을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 시스템 파라미터에 따라 최소 전송 전력의 이론적 하한은 어떻게 되는가?
• RQ3 beamforming과 IRS 위상 보정의 공동 최적화가 기존 방식 대비 에너지 효율성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 IRS 기반 시스템은 이론적 전력 하한에 얼마나 가까이 접근하는가?
• RQ5 MU 수, IRS 요소 수, BS 안테나 수는 달성 가능한 전력 감소에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 IRS 기반 전력 제어 방식은 이론적 하한에 매우 가까운 전송 전력 성능을 달성한다.
• 기존의 비-IRS 기반 시스템 대비 시스템 전력 소모가 뚜렷이 감소한다.
• IRS 요소 수와 BS 안테나 수가 증가할수록 전송 전력의 하한이 감소한다.
• 고밀도 사용자 환경 및 제한된 BS 전력 조건에서 성능 향상이 가장 두드러진다.
• beamforming과 위상 보정의 공동 최적화를 통해 막대한 스펙트럼 및 에너지 효율성 향상이 가능하다.
• 시뮬레이션 결과, IRS 기반 시스템이 이론적 전력 한계에 매우 가까이 도달함을 확인하여 제안된 방법의 효과성을 검증한다.