[논문 리뷰] Outage Analysis for Intelligent Reflecting Surface Assisted Vehicular Communication Networks

Jue Wang, Wence Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 차량 통신 네트워크에서의 중단 확률을 줄이기 위해 지능형 반사 표면(IUS)을 활용한 차량 통신 시스템을 제안한다. 차량 차단 현상을 포아송 점 프로세스로 모델링하고, 급수 전개 및 중심극한정리를 적용하여 정확한 중단 확률 근사식을 유도한다. 그 결과, 더 큰 IRS 개구부 크기와 낮은 차량 밀도가 커버리지와 신뢰성 향상에 크게 기여하며, M=500개의 요소를 가진 IRS는 IRS 근처의 중단 확률을 RSU 근처보다 낮춘다.

ABSTRACT

Vehicular communication is an important application of the fifth generation of mobile communication systems (5G). Due to its low cost and energy efficiency, intelligent reflecting surface (IRS) has been envisioned as a promising technique that can enhance the coverage performance significantly by passive beamforming. In this paper, we analyze the outage probability performance in IRS-assisted vehicular communication networks. We derive the expression of outage probability by utilizing series expansion and central limit theorem. Numerical results show that the IRS can significantly reduce the outage probability for vehicles in its vicinity. The outage probability is closely related to the vehicle density and the number of IRS elements, and better performance is achieved with more reflecting elements.

연구 동기 및 목표

• 차단 현상과 경로 손실로 인한 mmWave 차량 통신에서의 높은 중단 확률과 제한된 커버리지 문제를 해결하기 위해.
• 실제 도로변 배치 시나리오에서 차량 밀도와 IRS 크기가 중단 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 현실적인 차단 조건 하에서 IRS 보조 차량 통신 네트워크의 중단 확률에 대한 정확한 해석적 표현을 개발하기 위해.
• 커버리지와 신뢰성 측면에서 전통적인 차량 통신 네트워크와 비교하여 IRS 보조 시스템의 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 랜덤한 차량 분포와 차단 효과를 표현하기 위해 차량 통신 네트워크를 포아송 점 프로세스로 모델링한다.
• 통계적 근사를 위해 급수 전개(SEE)와 중심극한정리(CLA)를 사용하여 중단 확률 표현식을 유도한다.
• 직접 경로, RSU-IRS, IRS-사용자 링크를 포함한 채널 모델을 설정하며, 대규모 감쇠와 차단 현상을 고려한다.
• 점점 증가하는 IRS 요소 수 M에 따라 중단 확률이 0에 수렴함을 보여주는 점근적 분석을 적용한다.
• 28GHz의 캐리어 주파수와 5m의 차량 길이 등의 현실적인 파rameter를 사용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.
• 다양한 차량 밀도와 IRS 크기에서 성능을 평가하기 위해 해석적 방법과 시뮬레이션을 융합한 하이브리드 접근법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 반사 요소의 수가 mmWave 차량 통신 네트워크에서 중단 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 차량 밀도가 IRS 보조 차량 통신 시스템의 중단 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 차단 조건 하에서 급수 전개와 중심극한정리 근사식이 중단 확률을 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ4 고속 이동 및 고밀도 환경에서 IRS 배치가 기존의 차량 통신 네트워크에 비해 커버리지를 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• IRS 크기가 커질수록 중단 확률이 크게 감소하며, M=500개 요소를 가진 경우 IRS 근처의 중단 확률이 RSU 근처보다 낮아진다.
• M=500일 경우, 중단 확률이 0.3 이하인 영역은 IRS가 없는 경우(M=0)에 비해 약 3배로 확장된다.
• 급수 전개(n=10)와 중심극한정리(CLA)를 기반으로 한 해석적 근사식은 모든 사용자 위치에서 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 매우 유사하게 일치한다.
• 낮은 차량 밀도는 차단 확률을 감소시켜, 특히 대규모 IRS 어레이와 조합될 경우 중단 성능 향상에 기여한다.
• IRS 요소 수 M이 증가함에 따라 중단 확률은 점차 0에 수렴함을 보여, 커버리지 향상 잠재력이 매우 크다는 것을 시사한다.
• IRS 배치가 반사체 근처의 좁은 영역에서 가장 효과적이므로, 도로변에 다수의 협업형 IRS를 설치하는 것이 실현 가능하다.