[논문 리뷰] MIMO Assisted Networks Relying on Intelligent Reflective Surfaces

Tianwei Hou, Yuanwei Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 50인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해 지능형 반사 표면(IRS)으로 강화된 MIMO 네트워크를 제안하며, 무작위 사용자 위치를 모델링하기 위해 확률 기하학을 사용하고, IRS의 수동 beamforming과 사용자 측의 검출 가중치를 함께 최적화하여 제로포싱을 구현한다. 주요 결과로는 고신호대역비(SNR)에서의 에르고딕 속도 기울기가 1임을 보이며, IRS 요소 수가 많아질수록 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성이 크게 향상됨을 확인한다.

ABSTRACT

Intelligent reflective surfaces (IRSs) are invoked for improving both spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE). Specifically, an IRS-aided multiple-input multiple-output network is considered, where the performance of randomly roaming users is analyzed by utilizing stochastic geometry tools. As such, to distinguish the superposed signals at each user, the passive beamforming weight at the IRSs and detection weight vectors at the users are jointly designed. As a benefit, by adopting a zero-forcing-based design, the intra-cell interference imposed by the IRS can be suppressed. In order to evaluate the performance of the proposed network, we first derive the approximated channel statistics in the high signal-to-noise-ratio (SNR) regime. Then, we derive the closed-form expressions both for the outage probability and for the ergodic rate of users. Both the high-SNR slopes of ergodic rate and the diversity orders of outage probability are derived for gleaning further insights. The network's SE and EE are also derived. Our numerical results are provided to confirm that: i) the high-SNR slope of the proposed network is one; ii) the SE and EE can be significantly enhanced by increasing the number of IRS elements.

연구 동기 및 목표

• 무작위로 위치한 사용자를 가진 IRS-보조 MIMO 네트워크의 성능을 확률 기하학 도구를 사용해 분석하기.
• IRS 네트워크에서 사용자 위치의 영향에 대한 문헌의 부족을 보완하기 위해 사용자 분포를 이항점과정으로 모델링하기.
• IRS에서의 수동 beamforming과 사용자 측의 검출 가중치를 함께 최적화하여 내세포 간 간섭을 억제하기.
• 에르고딕 속도와 중단 확률에 대한 폐쇄형 표현을 유도하고, 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 평가하기.
• IRS-보조 MIMO 시스템에서의 고신호대역비 행동과 다중성 이득을 조사하기.

제안 방법

• 네트워크의 위상 랜덤성을 반영하기 위해 사용자 위치를 이항점과정으로 모델링하기.
• 고신호대역비 영역에서 근사된 채널 통계를 도출하기 위해 확률 기하학을 사용하기.
• IRS로부터 유도되는 간섭을 억제하기 위해 사용자 장비에서 제로포싱 beamforming을 적용하기.
• 메이저-G 함수와 상부 비완전 감마 함수를 사용하여 에르고딕 속도와 중단 확률에 대한 폐쇄형 표현을 유도하기.
• 시스템 성능 한계에 대한 통찰을 얻기 위해 고신호대역비 기울기와 다중성 순서를 분석하기.
• IRS 요소 수의 함수로 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위로 분포된 사용자가 IRS-보조 MIMO 네트워크의 에르고딕 속도와 중단 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 수동 beamforming과 제로포싱 검출을 함께 적용한 IRS-보조 MIMO 시스템에서의 에르고딕 속도 고신호대역비 기울기는 얼마인가?
• RQ3 IRS 요소의 수가 네트워크의 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 제안된 IRS-보조 MIMO 시스템에서 중단 확률의 다중성 순서는 얼마인가?
• RQ5 일반적인 fading 조건 하에서 에르고딕 속도와 중단 확률에 대한 폐쇄형 표현을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 IRS-보조 MIMO 네트워크에서 고신호대역비 기울기는 1로, 최적의 스펙트럼 효율성 스케일링을 나타낸다.
• 중단 확률은 시스템 파라미터에 따라 다중성 순서를 확보하며, 신호대역비(SNR)가 증가함에 따라 신뢰성 향상이 확인된다.
• IRS 요소 수를 늘일수록 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성이 크게 향상되어 IRS 기술의 확장 가능성을 입증한다.
• 메이저-G 함수와 상부 비완전 감마 함수를 사용하여 에르고딕 속도와 중단 확률에 대한 폐쇄형 표현을 도출하였다.
• 제안된 제로포싱 기반 검출은 IRS로 인한 내세포 간 간섭을 효과적으로 억제한다.
• 수치 시뮬레이션을 통한 분석 결과 검증을 통해 유도된 표현의 정확성을 확인하였다.