[논문 리뷰] IRS-Aided Wireless Relaying: Optimal Deployment and Capacity Scaling

Zhenyu Kang, Changsheng You외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 18.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 선로 간섭 없음(LoS) 채널 조건 하에서 지능형 반사면(Infrared Reflecting Surface, IRS)을 활용한 디코딩 앤 포워딩 중계 시스템의 최적 배치 전략을 제안하고 분석한다. 단일 IRS와 다중 IRS 구성 간 비교를 통해, 특히 M이 클수록 더 높은 용량 스케일링 순서(log M²)를 달성하는 다중 IRS 구성이 단일 IRS 구성(log M)보다 우수함을 보여준다. 이는 향상된 이중 반사 beamforming 이득 때문이며, 이는 다중 IRS 배치에서 더 높은 성능을 낼 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In this letter, we consider an intelligent reflecting surface (IRS)-aided wireless relaying system, where a decode-and-forward relay (R) is employed to forward data from a source (S) to a destination (D), aided by M passive reflecting elements. We consider two practical IRS deployment strategies, namely, single-IRS deployment where all reflecting elements are mounted on one single IRS that is deployed near S, R, or D, and multi-IRS deployment where the reflecting elements are allocated over three separate IRSs which are deployed near S, R, and D, respectively. Under the line-of-sight (LoS) channel model, we characterize the capacity scaling orders with respect to an increasing M for the IRS-aided relay system with different IRS deployment strategies. For single-IRS deployment, we show that deploying the IRS near R achieves the highest capacity as compared to that near S or D. While for multi-IRS deployment, we propose a practical cooperative IRS passive beamforming design which is analytically shown to achieve a larger capacity scaling order than the single-IRS deployment (i.e., near R or S/D) when M is sufficiently large. Numerical examples are provided, which validate our theoretical results.

연구 동기 및 목표

• IRS 배치 위치 및 구성이 IRS 보조 디코딩 앤 포워딩 중계 시스템의 용량에 미치는 영향을 조사한다.
• 단일 IRS 배치(모든 요소를 한 곳에 집중)와 다중 IRS 배치(요소를 소스, 중계, 수신지에 분산) 간 용량 스케일링 측면에서의 성능을 비교한다.
• 다중 IRS 배치를 위한 실용적인 협업형 수동 beamforming 설계를 제안하여 스펙트럼 효율을 최대화한다.
• 다양한 배치 전략 하에서 반사 요소 수 M에 대한 용량의 渐진적 스케일링 순서를 특성화한다.
• 이론적 결과를 이상적인 LoS 채널과 실제 Rician fading 채널 조건 하에서 수치적 결과로 검증한다.

제안 방법

• S, R, D 각각에 단일 안테나와 총 M개의 수동 반사 요소를 갖는 3노드 IRS 보조 중계 시스템을 수립한다.
• 두 가지 배치 전략을 고려한다: 단일 IRS(모든 M개 요소를 S, R 또는 D에 집중)와 다중 IRS(M₁, M₂, M₃개 요소가 각각 S, R, D에 위치, M₁+M₂+M₃=M).
• LoS 채널 모델을 사용하여 M → ∞ 일 때의 점점 증가하는 행동을 중심으로 용량 스케일링 순서를 유도한다.
• 모든 IRS에 걸쳐 단계 이동을 공동으로 최적화하여 이중 반사 링크 이득을 극대화하는 다중 IRS 배치를 위한 협업형 수동 beamforming 설계를 제안한다.
• 달성 가능한 속도에 대한 이론적 경계를 수립하고, 다중 IRS의 경우 용량 스케일링 순서가 log₂(M²) = 2 log₂M임을 증명하며, 단일 IRS의 경우 log₂M임을 확인한다.
• LoS 및 Rician fading 채널 조건 하에서 수치 시뮬레이션을 통해 결과를 검증하며, IRS 유무 및 다양한 배치 및 beamforming 전략 간 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 IRS를 중계기(R) 근처에 설치할 경우, 다른 모든 단일 IRS 구성보다 높은 용량을 달성하는가?
• RQ2 소스(S), 중계(R), 수신지(D) 근처에 분리된 세 개의 별도 IRS를 구성하는 다중 IRS 배치가 단일 IRS 배치보다 더 높은 용량 스케일링을 달성할 수 있는가?
• RQ3 다양한 IRS 배치 전략 하에서 IRS 보조 중계 시스템의 점점 증가하는 용량 스케일링 순서는 무엇인가?
• RQ4 다중 IRS 간 협업형 수동 beamforming은 단일 IRS beamforming 대비 시스템 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 Rician fading 조건 하에서의 시스템 성능은 이상적인 LoS 조건과 비교해 어떻게 되며, 다중 IRS의 이점은 여전히 유지되는가?

주요 결과

• 단일 IRS를 중계기(R) 근처에 설치하는 것이 모든 단일 IRS 구성 중에서 가장 높은 용량을 달성하며, 소스(S)나 수신지(D) 근처에 설치하는 것보다 우수하다.
• 다중 IRS 배치 전략은 단일 IRS 배치보다 더 높은 용량 스케일링 순서 2 log₂M을 달성한다. 이는 향상된 이중 반사 beamforming 이득 덕분이며, 이는 M이 클수록 더 두드러진다.
• 제안된 다중 IRS 배치를 위한 협업형 수동 beamforming 설계는 M이 클수록 이론적 용량 상한선에 매우 가까이 수렴한다.
• 다중 IRS 배치의 최적 요소 할당은 M₁ = M₃ = M/4 및 M₂ = M/2(즉, ρ = 1/4)이며, 이는 점점 증가하는 용량을 최대화한다.
• 수치적 결과는 M ≥ 150일 경우, 다중 IRS 배치가 R 근처에 설치된 단일 IRS 배치를 능가함을 확인한다. 특히 LoS 조건에서 두드러진다.
• Rician fading 조건에서는 Rician 계수 τ가 증가할수록 LoS와 실제 흐리기 채널 간 성능 격차가 감소하며, 다중 IRS의 이점은 여전히 흐리기 환경에서도 유지된다.