[논문 리뷰] Location Information Aided Multiple Intelligent Reflecting Surface Systems

Xiao Hu, Caijun Zhong외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비완전한 사용자 위치 데이터를 활용하여 효과적인 각도를 추정함으로써 훈련 오버헤드와 신호 전송 부담을 줄이는 위치 정보 보조 다중 지능형 반사면(Invisible Reflecting Surface, IRS) 시스템을 제안한다. 이는 전력 이득을 $NM^2$의 주문으로 달성하며, 비선형 시선(NLOS) 조건에서는 도달 가능한 속도가 $M$에 비례하고, NLOS 경로가 사라질 경우 $M^2$에 비례함을 보여준다.

ABSTRACT

This paper proposes a novel location information aided multiple intelligent reflecting surface (IRS) systems. Assuming imperfect user location information, the effective angles from the IRS to the users are estimated, which is then used to design the transmit beam and IRS beam. Furthermore, closed-form expressions for the achievable rate are derived. The analytical findings indicate that the achievable rate can be improved by increasing the number of base station (BS) antennas or reflecting elements. Specifically, a power gain of order $N M^2$ is achieved, where $N$ is the antenna number and $M$ is the number of reflecting elements. Moreover, with a large number of reflecting elements, the individual signal to interference plus noise ratio (SINR) is proportional to $M$, while becomes proportional to $M^2$ as non-line-of-sight (NLOS) paths vanish. Also, it has been shown that high location uncertainty would significantly degrade the achievable rate. Besides, IRSs should be deployed at distinct directions (relative to the BS) and be far away from each other to reduce the interference from multiple IRSs. Finally, an optimal power allocation scheme has been proposed to improve the system performance.

연구 동기 및 목표

• 기존의 IRS 비드포밍 시스템에서 요구하는 높은 훈련 오버헤드와 빈번한 CSI 피드백 문제를 해결하기 위해.
• 실시간 CSI에 대한 의존도를 줄이기 위해 변화가 느린 위치 정보를 활용하여 비드포밍 설계를 수행하기 위해.
• 실시간 CSI 교환을 저속도 위치 업데이트로 대체함으로써 기지국과 IRS 간의 신호 전송 부담을 최소화하기 위해.
• 사용자 위치 추정치로부터 유도된 통계적 CSI를 기반으로 한 저복잡도 비드포밍 기법을 개발하기 위해.
• 위치 불확실성 하에서 개별 사용자 속도 제약 조건을 충족시키기 위해 전력 할당을 최적화하기 위해.

제안 방법

• 불완전한 사용자 위치 정보를 활용해 IRS에서 사용자로 향하는 효과적 각도를 추정하고, 추정 오차를 통계적으로 모델링한다.
• 추정된 각도와 통계적 CSI를 바탕으로 닫힌 형태의 송신 비드포밍 벡터 및 IRS 위상 이득을 설계한다.
• Rician fading 하에서 도달 가능한 속도에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하며, 위치 불확실성과 path loss를 고려한다.
• 다중 IRS 간 간섭을 공간 상관 및 각도 분산 파rameter를 활용해 모델링하고, 방향성의 분리가 간섭을 감소시킴을 보여준다.
• 개별 사용자 속도 제약 조건을 충족시키며 총 전송 전력을 최소화하는 최적의 전력 할당 기법을 제안한다.
• 스토케스틱 기하학과 랜덤 행렬 이론을 활용해 안테나 수 $N$, 반사 요소 수 $M$, Rician K-팩터 등의 핵심 파라미터의 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위치 불확실성은 다중 IRS 시스템의 도달 가능한 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기지국 안테나 수($N$)와 반사 요소 수($M$)를 증가시킬 경우 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비선형 시선(NLOS) 경로가 사라질 경우 성능 스케일링은 어떻게 되며, 그에 따른 SINR 행동은 어떠한가?
• RQ4 다중 IRS 간 간섭을 최소화하기 위해 최적의 배치 전략은 무엇인가?
• RQ5 실시간 CSI를 전부 확보한 전통적 공동 최적화 방식에 비해, 위치 정보 기반 저복잡도 비드포밍 기법이 성능 면에서 뛰어나게 되는가?

주요 결과

• 도달 가능한 속도는 $NM^2$에 비례하며, 수신기에서의 코herent 복합화로 인해 $NM^2$ 주문의 전력 이득을 달성한다.
• NLOS 경로가 존재하는 경우 개별 SINR은 $M$에 선형적으로 비례하지만, NLOS 성분이 사라지면 $M^2$에 비례하게 된다.
• 높은 위치 불확실성은 시스템 성능을 심각하게 악화시키며, 정확한 위치 추정이 필수적임을 시사한다.
• IRS는 기지국에 대해 서로 다른 각도 방향에 위치하고 서로 간격을 두어 설치되어야 하며, 이는 간섭 감소에 기여한다.
• 개별 사용자 속도 요구 사항이 낮을 경우, 제안된 비드포밍 기법은 [3]에서 제안한 공동 최적화 방식보다 성능이 뛰어나며, 오버헤드 감소와 추정 오차에 대한 강건성 덕분이다.
• 최적의 전력 할당 기법은 총 전송 전력을 최소화하면서도 개별 사용자 속도 제약 조건을 충족시키며, 시뮬레이션을 통해 성능 향상이 확인되었다.