[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Aided Network: Power Control for Physical-Layer Broadcasting

Huimei Han, Jun Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 31.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 품질보증(QoS) 제약 조건 하에서 물리계층 브로드캐스팅을 위한 기지국에서의 전송 beamforming과 지능형 반사면(IRS)에서의 위상 변화를 공동으로 설계하기 위해 교대 최적화 알고리즘을 제안한다. 최소 전송 전력에 대한 이론적 하한을 유도하고, 시뮬레이션을 통해 IRS 요소 수가 증가할수록 필요한 전력이 이 하한에 가까워짐을 보여주며, IRS가 없는 시스템에 비해 전력 소모를 크게 감소시킴을 확인한다.

ABSTRACT

As a recently proposed idea for future wireless systems, intelligent reflecting surface (IRS) can assist communications between entities which do not have high-quality direct channels in between. Specifically, an IRS comprises many low-cost passive elements, each of which reflects the incident signal by incurring a phase change so that the reflected signals add coherently at the receiver. In this paper, for an IRS-aided wireless network, we study the problem of power control at the base station (BS) for physical-layer broadcasting under quality of service (QoS) constraints at mobile users, by jointly designing the transmit beamforming at the BS and the phase shifts of the IRS units. Furthermore, we derive a lower bound of the minimum transmit power at the BS to present the performance bound for optimization methods. Simulation results show that, the transmit power at the BS approaches the lower bound with the increase of the number of IRS units, and is much lower than that of the communication system without IRS.

연구 동기 및 목표

• 5G 및 향후 무선 네트워크에서의 높은 에너지 소비 문제를 지능형 반사면(IRS)을 활용한 수동 신호 강화 기술을 통해 해결하고자 한다.
• IRS를 활용한 네트워크에서 QoS 제약 조건 하에서 기지국(BS)의 전력 제어 문제를 해결하고자 한다.
• 사용자 데이터 전송률 요구 조건을 충족시키면서 전송 전력을 최소화하기 위해 기지국에서의 전송 beamforming과 IRS에서의 수동 위상 변화를 공동으로 최적화하고자 한다.
• 최소 전송 전력에 대한 이론적 하한을 유도하여 최적화 알고리즘의 성능 기준으로 삼고자 한다.

제안 방법

• QoS 제약 조건 하에서 기지국에서의 전송 beamforming 벡터와 IRS에서의 위상 변화를 공동 최적화하는 전력 제어 문제를 수립한다.
• 교대 최적화 알고리즘을 활용해 반복적으로 beamforming과 위상 변화를 최적화하며, 두 개의 하위 문제인 beamforming 설계 및 위상 변화 최적화를 해결한다.
• 기지국과 IRS 간의 LOS 채널 조건 하에서 기대 신호 전력 이득을 분석함으로써 최소 전송 전력에 대한 닫힌 형태의 하한을 도출한다.
• 기지국-유저(MU) 및 IRS-유저(MU) 링크에 대해 레이일리 fading을 갖는 통계적 채널 모델을 사용하고, 기지국-IRS 링크에는 LOS를 가정하며 경로 손실과 노이즈 전력 요소를 포함한다.
• 선형 프로그래밍 기반의 볼록 완화 및 준정방형계획법 기법을 활용해 beamforming 하위 문제를 해결하고, IRS 위상 변화 최적화의 구조적 특성을 활용해 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 각 반복에서의 계산 복잡도를 O((K + M²)^3.5) + O((2K + (N+1)²)^3.5)로 분석하며, 다양체 기반 방법을 활용한 향후 최적화 가능성을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS를 활용한 물리계층 브로드캐스팅 시스템에서 QoS 제약 조건을 충족시키기 위해 필요한 이론적 최소 전송 전력은 얼마인가?
• RQ2 IRS 요소의 수가 전송 전력이 이론적 하한에 수렴하는 데 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 beamforming과 IRS 위상 변화를 공동 최적화한 경우, IRS가 없는 기준 대비 또는 무작위 위상 변화를 사용한 경우와의 성능 비교는 어떻게 되는가?
• RQ4 사용자 수(K)와 IRS 유닛 수(M)가 필요한 전송 전력에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 경로 손실 지수 및 사용자 분포와 같은 시스템 파라미터 변화에 따라 제안된 알고리즘의 성능는 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• IRS 유닛 수가 증가함에 따라 기지국의 전송 전력이 도출된 이론적 하한에 수렴함을 확인하였으며, 이는 제안된 설계의 최적성과 일치함을 입증한다.
• K=1 및 M=20, 30, 40일 경우, IRS 요소 수가 증가함에 따라 전송 전력이 크게 감소하고, IRS가 없는 기준 대비 항상 낮은 전력 수준을 유지한다.
• K=2 및 M=40일 경우, 더 많은 IRS 요소 수가 전송 전력 감소에 기여하며, 하한에 수렴하는 격차는 줄어들지만 단일 사용자 케이스보다 수렴 속도가 느리다.
• 특히 IRS 근처에 위치한 셀 엣지 사용자에게서 기존의 전력 제어 방식(IRS 없음)에 비해 제안된 방식이 훨씬 낮은 전송 전력을 달성한다.
• 사용자 수(K)가 1에서 10으로 증가함에 따라 실제 전송 전력과 하한 사이의 격차가 커지며, 다중 사용자 환경에서는 더 날카운 하한이 필요함을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과는 분석적 하한을 검증하였고, 에너지 소비 감소 측면에서 공동 beamforming 및 IRS 위상 변화 최적화의 효과성을 입증한다.