[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Aided Full-Duplex Communication: Passive Beamforming and Deployment Design

Yunlong Cai, Minjian Zhao외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 37인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전체 전송 전력 최소화를 위해 공동 수동 beamforming 및 IRS 배치 최적화를 수행하는 지능형 반사 표면(IIRS) 지원 전반복(FD) 통신 시스템을 제안한다. 분산 및 두 가지 중심집중형 IRS 설정에 대한 세 가지 배치 시나리오를 고려하여 효율적인 블록 좌표 강하(BCD) 알고리즘을 설계하였으며, FD와 IRS를 활용할 경우 반반복 및 분산 IRS 설정보다도 가장 낮은 전력 소비를 달성함을 입증하였다.

ABSTRACT

This paper investigates the passive beamforming and deployment design for an intelligent reflecting surface (IRS) aided full-duplex (FD) wireless system, where an FD access point (AP) communicates with an uplink (UL) user and a downlink (DL) user simultaneously over the same time-frequency dimension with the help of IRS. Under this setup, we consider three deployment cases: 1) two distributed IRSs placed near the UL user and DL user, respectively; 2) one centralized IRS placed near the DL user; 3) one centralized IRS placed near the UL user. In each case, we aim to minimize the weighted sum transmit power consumption of the AP and UL user by jointly optimizing their transmit power and the passive reflection coefficients at the IRS (or IRSs), subject to the UL and DL users' rate constraints and the uni-modulus constraints on the IRS reflection coefficients. First, we analyze the minimum transmit power required in the IRS-aided FD system under each deployment scheme, and compare it with that of the corresponding half-duplex (HD) system. We show that the FD system outperforms its HD counterpart for all IRS deployment schemes, while the distributed deployment further outperforms the other two centralized deployment schemes. Next, we transform the challenging power minimization problem into an equivalent but more tractable form and propose an efficient algorithm to solve it based on the block coordinate descent (BCD) method. Finally, numerical results are presented to validate our analysis as well as the efficacy of the proposed passive beamforming design.

연구 동기 및 목표

• 동시 업링크 및 다운링크 전송 조건 하에서 IIRS 지원 전반복 시스템의 가중합 전송 전력 최소화.
• 데이터율 제약 조건 및 단위 모odulus 반사 제약 조건 하에서 수동 반사 계수 및 IRS 설치 위치 최적화.
• 분산, 중심집중형(다운링크 사용자 근처), 중심집중형(업링크 사용자 근처)의 세 가지 IRS 설치 전략 간 성능 비교.
• 전반복 통신 시스템에서 IRS를 활용할 경우 반반복 시스템보다 낮은 전력 소비를 달성하며, 특히 분산 IRS 설치가 가장 뛰어난 성능을 보임을 입증.

제안 방법

• 개별 데이터율 제약 조건 및 IRS 반사 계수의 단위 모odulus 제약 조건 하에서 전력 최소화 문제를 수식화.
• 변수 치환 및 이중성 기법을 통해 비볼록 최적화 문제를 더 다룰 수 있는 등가 형태로 변환.
• 전송 전력 및 IRS 위상 이격을 번갈아가며 반복적으로 최적화하는 블록 좌표 강하(BCD) 알고리즘 적용.
• 이상적 분석을 통해 전력 목표의 상한선이 IRS 크기 N에 따라 제곱적으로 감소함을 입증하여 확장성 확인.
• 원래 문제와 단순화된 비율 최대화 형태 간의 등가성을 유도하여 효율적인 계산 가능성을 확보.
• -Rayleigh fading 채널 조건 및 다양한 설치 구성에서의 수치 결과를 통해 설계의 타당성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 설치 전략은 반반복 시스템 대비 전반복 시스템의 전력 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전반복 시스템에서 분산 IRS 설치와 중심집중형 IRS 설치 간의 상대적 성능 향상은 어떠한가?
• RQ3 동시 업링크 및 다운링크 전송 조건 하에서 IRS의 수동 beamforming이 동일 대역 간섭을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ4 IRS 반사 요소 수가 증가할수록 시스템의 전력 소비와 수렴 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 다양한 설치 전략 하에서 IIRS 지원 전반복 시스템의 이론적 최소 전송 전력은 얼마인가?

주요 결과

• 모든 설치 전략에서 IIRS 지원 전반복 시스템이 반반복 시스템보다 낮은 전송 전력을 달성함을 확인하여 FD의 스펙트럼 효율성 향상 효과를 입증.
• 업링크 사용자 근처와 다운링크 사용자 근처에 각각 하나의 IRS를 설치하는 분산 IRS 설치 전략이 가장 낮은 전력 소비를 기록하며, 중심집중형 설정보다 뛰어난 성능을 보임.
• 제안된 BCD 기반 알고리즘이 모든 데이터율 및 위상 이격 제약 조건을 고도로 충족하는 해에 효과적으로 수렴함.
• IRS 요소 수 N이 증가함에 따라 최소 전송 전력의 상한선이 제곱적으로 감소함을 확인하여 강력한 확장성 입증.
• 이론적 분석을 통해 원래 문제와 등가 최적화 문제 간 최적 해가 동일함을 확인하여 효율적인 계산 가능성을 입증.
• 수치 결과를 통해 제안된 설계의 우수성을 검증하였으며, 기존 전반복 및 반반복 시스템 대비 뚜렷한 전력 절감 효과를 입증.