[논문 리뷰] Large Intelligent Surface/Antennas (LISA) Assisted Symbiotic Radio for IoT Communications

Qianqian Zhang, Ying‐Chang Liang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 IoT 통신을 위한 대규모 지능형 표면/안테나(LISA)를 보조로 사용하는 상호작용 방식의 라디오 시스템을 제안한다. 여기서 LISA는 주요 전송을 향상시키기 위해 IoT 장치이자 수동 반사체로 기능한다. 기지국의 능동 beamforming과 LISA의 수동 반사 beamforming을 공동으로 최적화함으로써, 신호 대 잡음비(SNR) 및 데이터 전송률 제약 조건을 만족하면서도 총 전송 전력의 최소화를 달성한다. 일반 및 특수 케이스에 대해 수렴성과 복잡도를 분석하였다.

ABSTRACT

To support super-massive access for future wireless communications, in this paper, we propose a novel large intelligent surface/antennas (LISA)-assisted symbiotic radio (SR) system in which a LISA, operating as an Internet-of-Things (IoT) device, transmits messages to an IoT receiver (IR) by using reflecting radio technique, and at the same time, it assists the primary transmission from a base station (BS) to a primary receiver (PR) by intelligently reconfiguring the wireless environment. We are interested in the joint design for active transmit beamforming at BS and passive reflecting beamforming at LISA to minimize the total transmit power at BS, subject to the signal-to-noise-ratio (SNR) constraint for the IoT communication and the rate constraint for the primary transmission. Due to the non-convexity of the formulated problem, for the general case, we decouple the original optimization problem into a series of subproblems using the alternating optimization method and solve them one by one based on KarushKuhnTucker (KKT) conditions and projection method. For the special case in which the direct links from BS to PR and IR are blocked, we decouple the formulated optimization problem into two subproblems, one of which is a semi-definite program (SDP) problem and the other is solved by using semi-definite relaxation (SDR) technique. The convergence performance and the computational complexity of the proposed algorithms are analyzed for both cases. Finally, simulation results are presented to validate the effectiveness of the proposed algorithms and the superiority of the proposed system.

연구 동기 및 목표

• 향후 무선 네트워크에서 높은 스펙트럼 및 에너지 효율성을 확보하면서 초거대 규모의 IoT 액세스를 지원하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 주요 통신을 보조하기 위해 동시에 IoT 장치와 수동 반사체로 기능하는 이중 기능 LISA를 가능하게 한다.
• 주요 링크와 IoT 링크의 품질보증(QoS) 제약 조건을 만족하면서 기지국의 총 전송 전력을 최소화한다.
• 비볼록 제약 조건 하에서 공동 능동 및 수동 beamforming 최적화 알고리즘을 효율적으로 개발한다.
• 일반 및 특수 시나리오에 대해 제안된 알고리즘의 수렴성과 계산 복잡도를 분석한다.

제안 방법

• 기지국의 전송 전력을 최소화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립하며, IoT 및 주요 링크의 신호 대 잡음비(SNR) 및 전송률 제약 조건을 포함한다.
• 교차 최적화를 적용하여 공동 문제를 beamforming 및 반사 계수 설계의 하위 문제로 분리한다.
• 일般 케이스에서 하위 문제를 해결하기 위해 카룩-쿤-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건과 투영 방법을 사용한다.
• 직접 연결 링크가 차단된 특수 케이스에서는 한 하위 문제를 준정적계획형식(SDP)으로 재구성하고, 다른 하위 문제를 준정적계획화(SDR)를 통해 해결한다.
• LISA의 수동 반사에서 위상 이동 제약 조건을 유지하기 위해 투영 기법을 적용한다.
• 알고리즘의 수렴성과 계산 복잡도를 분석하여 실용적 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LISA를 어떻게 공동으로 활용하여 IoT 장치이자 수동 반사체로 기능시켜 주요 및 보조 통신을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 LISA를 보조로 사용하는 상호작용 라디오 시스템에서 QoS 제약 조건을 만족하면서 전송 전력을 최소화하는 공동 능동 및 수동 beamforming 설계는 무엇인가?
• RQ3 기지국에서 주요 수신기 및 IoT 수신기로의 직접 링크가 차단된 경우 시스템 성능은 어떻게 되는가?
• RQ4 제안된 최적화 알고리즘의 수렴 특성과 계산 복잡도는 어떠한가?
• RQ5 전력 효율성 및 스펙트럼 액세스 측면에서 기존 기법 대비 제안된 시스템은 어떤 성능 향상을 달성하는가?

주요 결과

• 제안된 공동 beamforming 설계는 IoT 링크의 신호 대 잡음비(SNR)와 주요 링크의 전송률 요구 조건을 모두 충족하면서 기지국의 총 전송 전력을 크게 감소시킨다.
• 교차 최적화 알고리즘이 신뢰성 있게 수렴하며, 수렴 분석을 통해 반복 과정에서 안정성이 확인되었다.
• 직접 링크가 차단된 특수 케이스에서는 SDP 및 SDR 기반 접근법이 근사 최적 성능을 달성하면서도 계산 복잡도를 감소시켰다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 시스템이 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키며 초거대 규모의 IoT 액세스를 가능하게 함을 검증하였다.
• 특히 고속 이동성 또는 장애물 존재 환경에서 기존의 비-LISA 기반 시스템 대비 상당한 전력 절감 효과를 달성하였다.
• 계산 복잡도는 관리 가능하여 고밀도 IoT 환경에서 실시간 구현에 적합하다.