[논문 리뷰] Joint Beamforming for Intelligent Reflecting Surface-Assisted Millimeter Wave Communications

Peilan Wang, Jun Fang외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 18.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 18인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 저해상도 단계 이동기(1비트 또는 2비트 단계 이동기 포함)를 갖춘 지능형 반사 표면(Inverse Reflective Surface, IRS) 기반 밀리미터파(mmWave) 다운링크 시스템을 위한 공동 빔포밍 설계를 제안한다. mmWave 채널 특성을 활용하여, 수신 신호 전력이 반사 요소 수의 제곱에 비례하는 근사 최적의 해석적 해를 도출한다. 이는 무한해상도 기준선과 유사한 성능을 유지함에도 불구하고, 1비트 또는 2비트 단계 이동기 조건에서도 성립한다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communications are evolving as a promising technology to meet the ever increasing data rate requirements. However, high directivity and severe path loss make it vulnerable to blockages, which could be frequent in indoor or urban environments. To address this issue, intelligent reflecting surfaces (IRSs) are introduced to provide additional adjustable reflected paths. Most prior works assume that elements of IRSs have an infinite phase resolution, which is difficult to be realized in practical systems. In this paper, IRSs with low-resolution phase shifters are considered. We aim to maximize the receive signal power at the user by jointly optimizing discrete phase shifts of IRSs and the transmit beamforming vector at the base station for mmWave downlink systems. An analytical near-optimal solution is developed by exploiting some important characteristics of mmWave channels. Our theoretical analysis reveals that low-resolution phase shifters can still achieve a receive signal power that increases quadratically with the number of reflecting elements. Simulation results are provided to corroborate our analysis and show the effectiveness of the proposed solution.

연구 동기 및 목표

• 도시 및 실내 환경에서의 블로킹에 취약한 mmWave 통신 문제를 해결하기 위해.
• 저해상도 단계 이동기를 갖춘 다중 IRS에 대한 공동 전송 빔포밍 및 이산 단계 이동 최적화 전략을 설계하기 위해.
• 실제 하드웨어 제약 조건을 고려하여 사용자에서 수신하는 신호 전력을 최대화하기 위해.
• 유한해상도 단계 이동기를 갖춘 IRS 보조 mmWave 시스템에 대한 이론적 전력 스케일링 법칙을 수립하기 위해.

제안 방법

• 기지국의 전송 빔포밍 벡터와 다중 IRS의 이산 단계 이동을 동시에 최적화하여 수신 신호 전력을 최대화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• mmWave 채널의 고유한 흐ř림성과 방향성 특성을 활용하여, 전수 검색 또는 반복 최적화 없이 근사 최적의 해석적 해를 도출한다.
• 단위 진폭 반사(β = 1)와 유한한 2^b 수준의 이산 단계 이동을 가정하여 실질적인 하드웨어 제약 조건을 모델링한다.
• 성능 격차 평가를 위해 상한선으로 사용할 수 있는 이완된 볼록 최적화 문제를 사용한다.
• 반사 요소 수에 따라 수신 전력이 제곱법으로 증가하는 이론적 전력 스케일링 법칙을 유도한다. 이는 저해상도 단계 이동기 조건에서도 성립한다.
• 28 GHz에서 실질적인 mmWave 전파 조건(블로킹 시나리오 포함) 하에서 시뮬레이션을 통해 제안된 해를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 mmWave 시스템에서 공동 빔포밍 및 이산 단계 이동 최적화를 위한 근사 최적의 해석적 해를 도출할 수 있는가?
• RQ2 1비트 또는 2비트와 같은 저해상도 단계 이동기를 사용할 경우, 이상적인 무한해상도 단계 이동기와 비교해 수신 신호 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단계 이동기가 양자화된 조건에서도 반사 요소 수에 따라 수신 신호 전력이 여전히 제곱법으로 증가하는가?
• RQ4 단계 양자화로 인한 성능 저하 정도는 어떻게 되며, 이 손실은 해석적으로 특성화할 수 있는가?
• RQ5 다중 IRS의 도입이 사용자 링크 블로킹에 대한 시스템의 강건성에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 제안된 해법은 1비트 또는 2비트 단계 이동기 조건에서도 반사 요소 수의 제곱에 비례하는 수신 신호 전력 스케일링을 달성한다.
• 2비트 단계 이동기를 사용할 경우, 제안된 방법은 무한해상도 단계 이동기로 달성 가능한 상한선 대비 약 0.9121 dB 이내의 수신 SNR 성능을 확보한다.
• 1비트 단계 이동기 조건에서의 성능 손실은 무한해상도 경우에 비해 약 3.9224 dB이다.
• 시뮬레이션 결과는 이론적 전력 스케일링 법칙이 성립함을 확인하였으며, 반사 요소 수를 25에서 50으로 두 배로 늘일 경우 약 6 dB의 이득이 관찰되었다.
• 블로킹 조건 하에서 IRS 배치는 고장 확률을 크게 감소시키며, 더 많은 IRS가 존재할수록 고장 확률은 감소한다.
• IRS 보조 시스템은 특히 기지국에서 떨어진 거리에서 수신 SNR을 크게 향상시키며, 각 IRS 주변에 국소적인 신호 강화 영역(핫스팟)을 형성한다.