[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Assisted Multi-User MISO Communication

Qurrat-Ul-Ain Nadeem, Abla Kammoun외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 햖스키기 위해 무선 전파 환경을 수동적으로 재구성하는 지능형 반사 표면(IUS)을 활용한 다중 사용자 MIMO 시스템을 제안한다. 수동 반사 요소와 MMSE 기반 채널 추정을 활용함으로써, 높은 하드웨어 복잡도와 낮은 전력 소비로도 상당한 합성 속도 향상을 달성하며, 이는 녹색이고 제어 가능한 5G 초과 네트워크를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The recently completed global standard for 5G new radio air interface focuses on fulfilling key performance indicators for the new generation of cellular networks through several cutting-edge technologies, including Massive multiple-input multiple-output (MIMO), millimeter (mm)-Wave communication and network densification. However, these technologies face two main practical limitations 1) the lack of control over the wireless propagation environment, and 2) the high power consumption of the wireless interface. To address the need for green and sustainable future cellular networks with control over the propagation channel, the concept of reconfiguring wireless propagation environments using Intelligent Reflecting Surfaces (IRS)s has emerged for beyond 5G networks. An IRS comprises of a large number of low-cost passive reflecting elements that can smartly reconfigure the signal propagation for performance enhancement. In this paper, we discuss the role of passive IRSs in reconfiguring wireless propagation environments, introduce an IRS-assisted multi-user MIMO communication system, outline the communication-theoretic model and minimum mean squared error (MMSE) based channel estimation protocol for its design and analysis, and present performance evaluation results to illustrate the efficiency of the proposed system.

연구 동기 및 목표

• 현재 5G 네트워크에서 무선 전파 환경에 대한 제어 부족 문제를 해결하기 위해.
• 밀도 높은 네트워크에서 활성 MIMO 및 mmWave 기술과 연관된 높은 전력 소비를 줄이기 위해.
• 수동 지능형 반사 표면(IUS)을 통해 녹색이고 지속 가능하며 제어 가능한 무선 통신을 가능하게 하기 위해.
• 실용적인 통신 이론 모델과 채널 추정 프로토콜을 갖춘 IRS 보조 다중 사용자 MIMO 시스템을 설계하기 위해.
• IRS가 스펙트럼 효율성과 시스템 합성 속도 향상에 기여하는 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 저비용 수동 반사 요소를 다량 사용하여 IRS 보조 다중 사용자 MISO 통신 시스템을 설계한다.
• IRS의 위상 이완에 의해 제어되는 재구성 가능한 채널로 무선 전파 환경을 모델링한다.
• 위상 이완 반사 계수를 고려한 업링크 및 다운링크 전송의 신호 모델을 수립한다.
• 연쇄 채널 상태 정보를 추정하기 위해 최소 평균 제곱 오차(MMSE) 기반 채널 추정 프로토콜을 구현한다.
• 전력 제약 조건 하에 시스템 합성 속도를 최대화하기 위해 IRS의 위상 이완을 최적화한다.
• 공간 다중화와 간섭 관리를 가능하게 하기 위해 IRS를 다중 사용자 MIMO 프레임워크에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS는 다중 사용자 MIMO 시스템에 어떻게 통합되어 스펙트럼 효율성을 향상시키고 전력 소비를 줄일 수 있는가?
• RQ2 다중 사용자 다운링크 전송에서 IRS를 통한 수동 빔포밍은 합성 속도 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 부정확한 CSI가 존재하는 IRS 보조 시스템에서 MMSE 기반 채널 추정은 어떻게 작동하는가?
• RQ4 기존 MIMO 시스템과 비교해 실현 가능한 스펙트럼 및 에너지 효율성 향상은 무엇인가?
• RQ5 다중 사용자 환경에서 IRS의 반사 요소 수는 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 IRS 보조 시스템은 활성적으로 무선 전파 환경을 재구성함으로써 기존 MIMO 시스템에 비해 상당한 합성 속도 향상을 달성한다.
• IRS를 통한 수동 빔포밍은 추가 전력 소비 없이도 간섭을 억제하고 신호를 강화할 수 있다.
• MMSE 기반 채널 추정 프로토콜은 낮은 파ilot 오버헤드로 정확한 연쇄 채널 상태 정보를 제공한다.
• 다양한 사용자 간의 신호 반사 제어를 지능적으로 관리함으로써 시스템은 높은 스펙트럼 효율성을 보인다.
• IRS의 수동적 특성 덕분에 활성 MIMO나 빔포밍 시스템에 비해 하드웨어 및 운영 전력 소비가 크게 감소한다.
• 시뮬레이션 결과는 중간 수준의 반사 요소 수로도 IRS 도입이 시스템 성능 향상에 기여함을 확인한다.