[논문 리뷰] mmWave Doubly-Massive-MIMO Communications Enhanced with an Intelligent Reflecting Surface

Dian‐Wu Yue, Ha H. Nguyen외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 향상시키기 위해 지능형 반사 표면(Implicitly, IRS)을 활용한 mmWave 이중 대규모 MIMO 시스템을 제안한다. 다수의 IRS 하위표면을 통해 대규모 수준의 수동 반사 요소를 활용함으로써, 제어 가능한 전파 경로의 수가 하위표면의 수와 동일한 유리한 수준에 도달하며, 각 경로의 신호 대 잡음비(SNR)는 반사 요소의 수에 따라 제곱적으로 증가한다. 주요 기여는 전력 할당, 예상편향/합성, 그리고 IRS 위상 이격을 독립적으로 최적화함으로써, 최소한의 신호 전송 오버헤드로 높은 스펙트럼 효율성을 달성하는 데 있다.

ABSTRACT

As a means to control wireless propagation environments, the use of emerging and novel intelligent reflecting surfaces (IRS) is envisioned to enhance and broaden many applications in future wireless networks. This paper is concerned with a point-to-point IRS-assisted millimeter-wave (mmWave) system in which the IRS consists of multiple subsurfaces, each having the same number of passive reflecting elements, whereas both the transmitter and receiver are equipped with massive antenna arrays. Under the scenario of having very large numbers of antennas at both transmit and receive ends, the achievable rate of the system is derived. Furthermore, with the objective of maximizing the achievable rate, the paper presents optimal solutions of power allocation, precoding/combining, and IRS's phase shifts. Then it is shown that when the number of reflecting elements at each subsurface is very large, the number of favorable and controllable propagation paths provided by the IRS is simply equal to the number of subsurfaces while the received signal-to-noise ratio corresponding to each of the favorable paths increases quadratically with the number of reflecting elements. In addition, the problem of minimizing the transmit power subject to the rate constraint is analyzed for the scenario without direct paths in the pure LOS propagation. Finally, numerical results are provided to corroborate the obtained analysis.

연구 동기 및 목표

• mmWave 통신에서의 높은 경로 손실과 차단에 취약성을 해결하기 위해 IRS를 도입하여 신호 전파를 향상시키기 위해.
• 다중 하위표면을 갖는 IRS로 향상된 점 대 점 mmWave 이중 대규모 MIMO 시스템에서의 점 渐진적 가용 수신률을 분석하기 위해.
• 스펙트럼 효율성을 극대화하는 목표 하에 전력 할당, 예상편향/합성, 그리고 IRS 위상 이격에 대한 최적 해를 유도하기 위해.
• 순수 LoS 환경에서 대규모 IRS 배치가 공간 다중화 및 SNR 스케일링에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 직접 LoS 링크가 무시할 만큼 미미할 경우, 전송 전력 최소화를 위해 IRS 구성 최적화를 수행하기 위해.

제안 방법

• mmWave 전파에 대해 다중 IRS 하위표면을 갖는 군집화된 통계적 채널 모델을 사용하며, 각 하위표면은 동일한 수의 수동 반사 요소를 갖는다.
• 매우 큰 수의 송신 및 수신 안테나를 가정하는 조건 하에서 점 渐진적 분석을 수행함으로써, 가용 수신률에 대한 닫힌 형태의 표현식을 도출한다.
• 합성 최적화를 통해 전력 할당, 예상편향/합성, 그리고 IRS 위상 이격을 독립적으로 최적화함으로써, 공동 설계의 복잡성을 피한다.
• 분석 결과, 각 하위표면의 반사 요소 수가 매우 클 경우, 유리한 전파 경로의 수가 하위표면의 수와 동일하다는 것이 밝혀졌다.
• 직접 경로가 없는 순수 LoS 시나리오에서, 동일한 전력 할당과 최적의 하위표면 수 선택 조건 하에서 최소 전송 전력이 유도되었다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하였으며, 반사 요소 수에 따른 SNR 스케일링 및 IRS 크기와 서브어레이 수 증가에 따른 수신률 향상 성과를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 하위표면을 갖는 IRS로 향상된 이중 대규모 MIMO 시스템에서 가용 수신률은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 전력 할당, 예상편향/합성, 그리고 IRS 위상 이격에 대한 최적 해를 공동 최적화 없이 독립적으로 유도할 수 있는가?
• RQ3 반사 요소 수가 매우 클 경우, 유리한 전파 경로 수와 IRS 하위표면 수 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ4 하위표면당 반사 요소 수에 따라 수신 SNR는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 직접 LoS 링크가 없고 IRS가 채널을 지배할 경우, 목표 수신률를 충족하기 위해 필요한 최소 전송 전력은 얼마인가?

주요 결과

• 각 하위표면에 매우 큰 수의 반사 요소가 존재할 경우, IRS가 제공하는 유리한 전파 경로 수는 하위표면의 수와 동일하다.
• 각 유리한 경로의 수신 SNR는 하위표면당 반사 요소 수에 따라 제곱적으로 증가한다.
• 최적의 전력 할당, 예상편향/합성, 그리고 IRS 위상 이격는 독립적으로 계산될 수 있으며, 이는 시스템 설계를 단순화하고 신호 전송 오버헤드를 감소시킨다.
• 반사 요소 총 수가 고정되어 있을 경우, 최적의 하위표면 수는 총 요소 수가 1000일 때 약 5이며, 경로 다각도와 SNR 이득 사이의 균형을 이룬다.
• 1000개의 반사 요소와 100개의 하위표면을 가질 경우, $N_t = 64$ 및 $N_r = 36$일 때 IRS가 있는 시스템의 가용 합산 수신률은 IRS가 없는 시스템의 약 두 배이다.
• 하위표면당 반사 요소 수가 증가함에 따라, 고정된 수신률 조건에서 필요한 전송 전력은 $1/N^2$에 따라 선형적으로 감소하며, $N=10$에서 $N=100$으로 증가할 경우 약 20 dB 감소한다.