[논문 리뷰] Power Efficiency, Overhead, and Complexity Tradeoff in IRS-Assisted Communications -- Quadratic Phase-Shift Design

Vahid Jamali, Marzieh Najafi외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 소규모 코드북을 사용함에도 불구하고 전력 효율성을 향상시키고 코드북 크기, 오버헤드, 복잡도 간의 상충 관계를 극복하기 위해 지능형 반사 표면(IRS)에 대해 이차 위상 이동 설계를 제안한다. IRS 전역에서 위상 이동을 이차 함수로 모델링함으로써, 단지 25개의 모드로도 전체 각도 영역을 커버할 수 있으며, 이는 선형 및 DFT 기반 설계보다도 전력 효율성이 뛰어나다. 특히 코드북 크기가 극히 작을 때에도 성능이 뛰어나다.

ABSTRACT

In this paper, we focus on large intelligent reflecting surfaces (IRSs) and propose a new codebook construction method to obtain a set of predesigned phase-shift configurations for the IRS unit cells. Since the overhead for channel estimation and the complexity of online optimization for IRS-assisted communications scale with the size of the phase-shift codebook, the design of small codebooks is of high importance. We show that there exists a fundamental tradeoff between power efficiency and the size of the codebook. We first analyze this tradeoff for baseline designs that employ a linear phase-shift across the IRS. Subsequently, we show that an efficient design for small codebooks mandates higher-order phase-shift variations across the IRS. Consequently, we propose a quadratic phase-shift design, derive its coefficients as a function of the codebook size, and analyze its performance. Our simulation results show that the proposed design yields a higher power efficiency for small codebooks than the linear baseline designs.

연구 동기 및 목표

• IRS 보조 통신에서 전력 효율성, 코드북 크기, 시스템 복잡도 간의 기본적인 상충 관계를 해결한다.
• 기존의 선형 및 DFT 기반 위상 이동 코드북이 충분한 커버리지 확보를 위해 큰 크기를 요구하는 한계를 극복한다.
• 채널 추정 오버헤드와 온라인 최적화 복잡도를 줄이기 위해 대규모 IRS에 대해 컴act하면서도 효과적인 위상 이동 코드북을 설계한다.
• 실제 구현에 적합한 높은 전력 효율성을 유지하면서도 최소한의 코드북 크기로 전체 각도 커버리지를 달성한다.
• 제안된 이차 위상 이동 설계 하에서 IRS 응답 함수에 대한 닫힌 형태의 해석적 모델을 개발한다.

제안 방법

• 위상 이동을 위치의 이차 함수로 모델링하는 이차 위상 이동 설계를 제안하여 고차원 파면 형상 조절이 가능하도록 한다.
• 최적의 빔포밍 이득과 커버리지를 확보하기 위해 코드북 크기의 함수로 이차 위상 함수의 계수를 유도한다.
• 원거리 영역에서 IRS 응답 함수의 닫힌 형태 근사식을 도입하여 효율적인 성능 분석을 가능하게 한다.
• 전송 모드 모델을 사용하여 오프라인 코드북 설계를 온라인 채널 적응에서 분리함으로써 실시간 복잡도를 감소시킨다.
• 임의의 입사 및 반사 각도에 대해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 제안된 설계를 기준선인 선형 및 DFT 기반 코드북과 비교한다.
• 평균 채널 이득의 역수인 $\mathrm{E}_{\boldsymbol{\Psi}_i,\boldsymbol{\Psi}_r}\{\gamma^{-1}(\boldsymbol{\Psi}_i,\boldsymbol{\Psi}_r)\}$ 를 통해 전력 효율성과 코드북 크기 간의 상충 관계를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 시스템에서 코드북 크기와 전력 효율성 간의 기본적인 상충 관계는 무엇인가?
• RQ2 선형을 초월한 고차 위상 이동 변형(예: 이차)은 더 작은 코드북으로도 더 나은 빔포밍 성능을 가능하게 하는가?
• RQ3 선형 및 DFT 기반 코드북과 비교할 때 제안된 이차 위상 이동 설계는 각도 커버리지와 전력 효율성 측면에서 어떻게 성능을 내는가?
• RQ4 제안된 이차 위상 이동 설계 하에서 IRS의 해석적 응답 함수는 무엇인가?
• RQ5 제안된 설계는 상당히 감소된 코드북 크기로도 거의 이상적인 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 이차 위상 이동 설계는 10λ×10λ IRS에 대해 단지 25개의 코드북 항목으로도 전체 각도 커버리지를 달성하지만, 100개 모드를 사용하는 선형 기준선은 특정 각도를 커버하지 못한다.
• 코드북 크기가 100 이하일 경우 선형 설계는 응답 함수에 깊은 노멀(null)을 유발하여 측면 lobes 의존성으로 인해 전력 효율성이 열 劣화된다.
• DFT 기반 설계는 높은 전력 효율성을 제공하지만, 큰 코드북(400개 모드)이 필요하여 실시간 시스템에 실용적이지 않다.
• 매우 작은 코드북 크기에서도 제안된 설계는 이론적 최적 한계에 가까운 전력 효율성을 달성한다.
• IRS 응답 함수의 해석적 근사식은 수치 결과와 매우 밀접하게 일치하여 수학적 모델의 타당성을 검증한다.
• 코드북 크기를 유지하면서 IRS 크기를 증가시키면 주로드(main lobe) 이득은 향상되지만 빔 형상은 왜곡되지 않아 확장성(스케일러빌리티)을 확인한다.