[논문 리뷰] Relay Aided Intelligent Reconfigurable Surfaces: Achieving the Potential Without So Many Antennas

Ying Xiaoyan, Umut Demirhan외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 11.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 17인용 수 35

한 줄 요약

필요한 요소 수를 줄이면서 스펙트럴 효율 이득을 유지하기 위해 풀-듀플렉스 릴레이로 연결된 두 표면으로 구성된 릴레이 보조 IRS 아키텍처를 제안한다.

ABSTRACT

This paper proposes a novel relay-aided intelligent reconfigurable surface (IRS) architecture for future wireless communication systems. The proposed architecture, which consists of two side-by-side intelligent surfaces connected via a full-duplex relay, has the potential of achieving the promising gains of intelligent surfaces while requiring much smaller numbers of reflecting elements. Consequently, the proposed IRS architecture needs significantly less channel estimation and beam training overhead and provides higher robustness compared to classical IRS approaches. Further, thanks to dividing the IRS reflection process over two surfaces, the position and orientation of these surfaces can be optimized to extend the wireless communication coverage and enhance the system performance. In this paper, the achievable rates and required numbers of elements using the proposed relay-aided IRS architecture are first analytically characterized and then evaluated using numerical simulations. The results show that the proposed architecture can achieve the data rate targets with much smaller numbers of elements compared to typical IRS solutions, which highlights a promising path towards the practical deployment of these intelligent surfaces.

연구 동기 및 목표

• 고전적 IRS 배치의 실용적 도전을 극복하기 위해 릴레이 보조 지능형 재구성 표면(IRS) 아키텍처를 동기부여하고 설계한다.
• AF 및 DF 릴레이하에서 제안된 아키텍처의 달성 가능한 속도와 필요한 엘리먼트 수를 정량화한다.
• TX/RX–IRS 링크 및 릴레이–IRS 링크에 대한 근거리/원거리 혼합 채널 모델을 개발한다.
• 스펙트럴 효율성과 엘리먼트 요건 측면에서 제안된 릴레이 보조 IRS를 표준 IRS 및 릴레이 시스템과 비교한다.
• 적은 반사 엘리먼트로 목표 전송률을 달성하기 위한 배치 인사이트와 지침을 제공한다.

제안 방법

• IRS 1이 송신기로부터 릴레이까지 반사하고 IRS 2가 릴레이로부터 수신기로 반사하는 풀-듀플렉스 릴레이 아키텍처의 두 IRS를 도입한다.
• 복합 송신/IRS 및 IRS/릴레이 채널에 대한 근거리/원거리 혼합 채널 모델을 도출한다.
• AF 및 DF 릴레이를 갖는 릴레이 보조 IRS의 폐쇄형 해를 갖는 달성 가능한 속도를 도출한다.
• 목표 속도에 필요한 엘리먼트 수를 추정하기 위한 경계 및 표현을 제공한다.
• 고전적 IRS 및 단일 릴레이 구성과 비교하기 위해 3.5 GHz 및 60 GHz에서 수치 시뮬레이션으로 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 IRS 및 단순 릴레이에 비해 릴레이 보조 IRS 아키텍처로 어떤 이득을 얻을 수 있는가?
• RQ2 AF 및 DF 릴레이 하에서 제안된 아키텍처로 목표 속도를 달성하는 데 필요한 반사 엘리먼트 수는 몇 개인가?
• RQ3 근거리 및 원거리 효과를 혼합한 트랜스미터–IRS–릴레이–IRS–수신기 채널을 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 두 표면 릴레이 보조 IRS 설계의 스펙트럼 효율 한계와 실제 배치 시사점은 무엇인가?

주요 결과

• 릴레이 보조 IRS는 현저히 적은 반사 엘리먼트로도 고전적 IRS보다 더 높은 스펙트럴 효율을 달성할 수 있다.
• 제시된 설정에서 DF 릴레이 기반 릴레이 보조 IRS가 AF보다 더 높은 속도를 제공하지만, 복잡성과 지연이 더 크다.
• 이 아키텍처는 엘리먼트 수 감소로 대형 엘리먼트 IRS에 비해 넓은 빔을 가능하게 하고 견고성을 향상시킨다.
• 릴레이 양쪽에 위치한 두 표면은 배치의 유연성과 커버리지 확장의 가능성을 제공하며 차단 문제를 완화한다.
• 해석적 표현식과 경계는 릴레이 보조 IRS가 많은 엘리먼트를 가진 대형 IRS와 비슷한 이득을 적은 엘리먼트로 제공할 수 있음을 보인다.
• 60 GHz에서의 시뮬레이션 결과는 고전적 IRS에 비해 목표 속도를 달성하는 데 필요한 엘리먼트 수가 크게 감소함을 나타낸다.