[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Network via Joint Active and Passive Beamforming

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 32인용 수 103

한 줄 요약

논문은 단일 사용자 및 다중 사용자 설정에서 사용자 SINR 제약 조건 하에 AP 전송 전력을 최소화하기 위해 AP 전송 빔포밍과 IRS 위상 시 shift를 공동으로 최적화하는 것을 연구하며, SDR 및 교대 최적화 접근법과 도출된 N-스케일링 법칙을 다룬다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned to be a new and revolutionizing technology for achieving spectrum and energy efficient wireless communication networks cost-effectively in the future. Specifically, an IRS consists of a large number of low-cost passive elements each reflecting the incident signal with a certain phase shift to collaboratively achieve beamforming and/or interference suppression at designated receivers. In this paper, we study an IRS-aided multiuser multiple-input single-output (MISO) wireless system where one IRS is deployed to assist in the communication from a multi-antenna access point (AP) to multiple single-antenna users. As such, each user receives the superposed signals from the AP as well as the IRS via its reflection. We aim to minimize the total transmit power at the AP by jointly optimizing the transmit beamforming by active antenna array at the AP and reflect beamforming by passive phase shifters at the IRS, subject to users' individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints. However, the formulated problem is non-convex and difficult to be solved optimally.

연구 동기 및 목표

• IRS를 활용하여 전파 채널을 형성함으로써 스펙트럼 및 에너지 효율적인 무선 네트워크를 동기화한다.
• 사용자별 SINR 제약 조건 하에서 AP 빔포밍 및 IRS 위상 편이의 공동 최적화를 통해 총 AP 전송 전력을 최소화하는 문제를 형식화하고 해결한다.
• 단일 사용자 및 다중 사용자 시나리오에 대한 가능성 조건을 분석하고 실용적인 알고리즘적 접근법을 제공한다.
• 최적 위상 설계 하에서의 N^2 이득을 보이는 전력 스케일링과 IRS 보조 성능을 기존 시스템과 비교한다.

제안 방법

• 다중 안테나 AP, N개의 IRS 요소, K명의 단일 안테나 이용자와의 AP-IRS-이용자 하향링크를 모델링한다.
• SINR 제약 조건과 단위 모듈러스 IRS 위상 시프트를 만족시키는 총 AP 전송 전력을 최소화하는 문제(P1)를 형식화한다.
• 단일 사용자 문제(P2)에 대해 반강결정화(SDR)를 적용하여 하한과 근사 최적 해를 얻고, 랜덤화를 통해 1차원 랭크 솔루션을 추출한다.
• IRS 위상 시프트와 AP 빔포밍 방향을 닫힌 형식으로 갱신하는 교대 최적화 알고리즘을 개발하여 수렴성을 보장한다.
• 성능과 복잡성을 트레이드오프하는 두 가지 서브옵티멀 알고리즘으로 다중 사용자 경우에 접근하는 방법을 확장한다.
• 무한한 IRS 요소에 대한 해석적 통찰과 최적 위상 설계 하에서의 N의 스케일링 법칙을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AP 전송 빔포밍과 IRS 위상 시프트의 공동 최적화가 AP 전송 전력을 최소화하면서 SINR 목표를 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 사용자 및 다중 사용자 사례에 대해 비선형(비 볼록) 결합 설계를 효과적으로 해결하는 알고리즘은 무엇인가?
• RQ3 IRS의 가용성은 어떤 방식으로 feasibility에 영향을 미치며 문제의 실행 가능성을 보장하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 최적 위상 설계 하에서 IRS 요소 수 N에 따른 전력 스케일링은 무엇인가?
• RQ5 IRS 보조 성능은 기존 대형 MIMO 또는 AF 릴레이 벤치마크와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• AP 빔포밍과 IRS 위상을 함께 최적화하면 IRS가 없는 시스템에 비해 필요한 AP 전송 전력이 크게 감소한다.
• IRS에 가까운 단일 사용자에 대해 최적 IRS 위상 시프트를 사용할 때 대규모 N에서 전송 전력이 N^2으로 스케일된다.
• SDR은 계산 가능한 하한을 제공하고, 랜덤화를 통해 단일 사용자의 문제에 대한 보장된 근사 품질을 산출한다.
• 교대 최적화는 위상 시프트와 빔포밍에 대한 닫힌 형식의 업데이트를 제공하며, 이는 정지해 있는 해로 수렴한다.
• 수치 결과는 IRS 보강 방식이 IRS 없는 대형 MIMO 같은 벤치마크에 비해 상당한 성능 향상을 보임을 시사한다.