[논문 리뷰] Optimizations with Intelligent Reflecting Surfaces (IRSs) in 6G Wireless Networks: Power Control, Quality of Service, Max-Min Fair Beamforming for Unicast, Broadcast, and Multicast with Multi-antenna Mobile Users and Multiple IRSs

Jun Zhao|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 43인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크에서 지능형 반사면(ISR)을 활용한 단순방송, 방송, 다중방송 트래픽 간 전력 제어 및 최소 최대 공정한 서비스 품질(QoS)을 향상시키기 위해 공동 전송 beamforming 및 위상 이득 최적화를 제안한다. 다중 안테나 이동 단말 사용자 및 다중 IRS를 고려한 새로운 수식을 도입하였으며, 번갈아가며 최적화와 가우시안 랜덤화 기반의 효율적인 알고리즘을 통해 IRS 보조 무선 시스템에서 더 높은 스펙트럼 효율성과 공정성을 달성한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surfaces (IRSs) have received much attention recently and are envisioned to promote 6G communication networks. In this paper, for wireless communications aided by IRS units, we formulate optimization problems for power control under quality of service (QoS) and max-min fair QoS under three kinds of traffic patterns from a base station (BS) to mobile users (MUs): unicast, broadcast, and multicast. The optimizations are achieved by jointly designing the transmit beamforming of the BS and the phase shift matrix of the IRS. For power control under QoS, existing IRS studies in the literature address only the unicast setting, whereas no IRS work has considered max-min fair QoS. Furthermore, we extend our above optimization studies to the novel settings of multi-antenna mobile users or/and multiple intelligent reflecting surfaces. For all the above optimizations, we provide detailed analyses to propose efficient algorithms. To summarize, our paper presents a comprehensive study of optimization problems involving power control, QoS, and fairness in wireless networks enhanced by IRSs.

연구 동기 및 목표

• 6G 네트워크에서 단순방송, 방송, 다중방송 트래픽을 고려한 QoS 제약 하에서 전력 제어 문제를 해결하기 위해.
• 기존 IRS 문헌에서 다뤄지지 않은 새로운 문제인 IRS 보조 통신을 위한 최소 최대 공정한 QoS 설계를 제안하기 위해.
• 더 현실적이고 확장 가능한 6G 시스템 모델을 위해 다중 안테나 이동 단말 사용자 및 다중 IRS로의 최적화를 확장하기 위해.
• 실제 구현을 위한 효율적인 알고리즘 개발을 위해 번갈아가며 최적화와 가우시안 랜덤화를 활용한 공동 beamforming 및 위상 이득 최적화 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• QoS 및 공정성 제약 조건 하에서 기지국(BS)의 전송 beamforming 및 IRS 위상 이득 행렬의 공동 최적화를 수식화한다.
• 직접 경로 및 반사 경로를 조합한 계단식 채널 모델을 사용한다: h_i(Φ) = h_r,i^H Φ H_b,r + h_b,i^H.
• 비볼록적인 랭크 제약 조건을 처리하기 위해 정규화된 준정방형 프로그래밍(SDR)과 가우시안 랜덤화를 통한 랭크-1 근사 기법을 적용한다.
• Karipidis 등이 제안한 방법을 사용해 beamforming 및 위상 이득 행렬 간 번갈아가며 최적화를 수행하며, 하위 문제를 반복적으로 해결한다.
• SDR 이후 랜덤 벡터의 양자화를 통해 이산 위상 이득을 처리하여 하드웨어 제약 조건을 충족시킨다.
• 채널 모델 및 행렬 차원을 적절히 확장하여 다중 안테나 이동 단말 사용자 및 다중 IRS에 대한 수식을 일반화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6G 네트워크에서 단순방송, 방송, 다중방송 트래픽을 고려한 IRS 보조 시스템에서 QoS 제약 하에서 전력 제어를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 특히 다중방송 시나리오에서 IRS 보조 무선 네트워크의 최소 최대 공정한 QoS를 위한 최적 설계는 무엇인가?
• RQ3 다중 안테나 이동 단말 사용자 및 다중 IRS는 시스템 성능 및 최적화 복잡도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이산 위상 이득 및 진폭 감쇠와 같은 실용적 제약 조건 하에서 beamforming 및 위상 이득을 공동으로 최적화할 수 있는 효율적인 알고리즘은 무엇인가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 다양한 트래픽 패턴 및 시스템 구성에 어떻게 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 이 논문은 기존의 단순방송 전용 QoS 연구를 초월해 IRS 보조 네트워크에 대해 최초로 최소 최대 공정한 beamforming 설계를 제안한다.
• 제안된 번갈아가며 최적화 알고리즘은 효율적으로 수렴하며, 목적 함수 값의 상대적 변화를 통해 수렴 여부를 모니터링한다.
• 가우시안 랜덤화 기법은 SDR 완화에서 랭크-1 해를 효과적으로 복원하여 실용적인 위상 이득 행렬 설계를 가능하게 한다.
• 채널 모델을 각 안테나 및 각 IRS 구성 요소를 포함하도록 확장함으로써 다중 안테나 이동 단말 사용자 및 다중 IRS를 지원하는 프레임워크를 확보하였다.
• 알고리즘은 더 높은 스펙트럼 효율성과 공정성을 달성하였으며, 수치적 검증은 향후 연구에서 예상된다.
• 연구는 향후 주요 방향으로 NP-난해성 분석, 근사 경계 분석, 이동성 및 에너지 수확 기술 확장 등을 규명하였다.