[논문 리뷰] Spectral and Energy Efficiency of IRS-Assisted MISO Communication with Hardware Impairments

Shaoqing Zhou, Wei Xu외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 14인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 하드웨어 결함이 있는 IRS 보조 MISO 다운링크 시스템에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에 대해 분석한다. 전송장치(AP)의 RF 결함은 확장된 에러 벡터 크기(EEVM)로 모델링하고, IRS의 위상 노이즈도 고려한다. 스펙트럼 효율성은 무한대의 AP 안테나와 IRS 요소가 있더라도 하드웨어 결함으로 인해 본질적으로 제한됨을 보이며, 에너지 효율성 최적화를 위한 폐쇄형 최적 전송 전력 해를 유도한다. 이 전력은 RF 결함이 악화될수록 증가한다.

ABSTRACT

In this letter, we analyze the spectral and energy efficiency of an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted multiple-input single-output (MISO) downlink system with hardware impairments. An extended error vector magnitude (EEVM) model is utilized to characterize the impact of radio-frequency (RF) impairments at the access point (AP) and phase noise is considered for the imperfect IRS. We show that the spectral efficiency is limited due to the hardware impairments even when the numbers of AP antennas and IRS elements grow infinitely large, which is in contrast with the conventional case with ideal hardware. Moreover, the performance degradation at high SNR is shown to be mainly affected by the AP hardware impairments rather than the phase noise of IRS. We further obtain the optimal transmit power in closed form for energy efficiency maximization. Simulation results are provided to verify these results.

연구 동기 및 목표

• 하드웨어 결함이 IRS 보조 MISO 다운링크 시스템의 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 실제 비이상적인 조건을 모델링하기 위해, 전송장치(AP)의 RF 결함은 EEVM을 사용하고, IRS의 위상 노이즈를 고려하기 위해.
• 하드웨어 결함 하에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 최적화를 위한 최적 전송 전력의 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• 대규모 AP 안테나와 IRS 요소가 있음에도 불구하고 하드웨어 결함으로 인해 성능 향상이 포화됨을 보여주기 위해.

제안 방법

• M개의 안테나를 갖는 전송장치(AP)와 단일 안테나 사용자로 구성된 IRS 보조 MISO 다운링크 시스템을 모델링한다. 이 시스템은 N개의 요소를 갖는 지능형 반사 표면(IRS)에 의해 지원된다.
• 전송장치의 RF 결함과 IRS의 위상 노이즈를 기술하기 위해 확장된 에러 벡터 크기(EEVM) 모델을 사용한다.
• 비이상적인 하드웨어 조건 하에서의 다운링크 스펙트럼 효율성에 대한 이론적 표현식을 유도한다. 이 표현식은 AP와 IRS의 결함을 모두 포함한다.
• 강한 대수법칙과 연속성 사상 정리를 적용하여, M과 N이 증가함에 따라 점 渐진 스펙트럼 효율성을 분석한다.
• Lambert W 함수를 사용하여 에너지 효율성 최적화를 위한 최적 전송 전력의 폐쇄형 해를 유도한다.
• 다양한 하드웨어 결함 수준과 신호 대 잡음비(SNR) 영역에서의 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AP 및 IRS의 하드웨어 결함은 IRS 보조 MISO 시스템의 스펙트럼 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 하드웨어 결함이 존재할 경우, AP 안테나와 IRS 요소의 수가 증가함에 따라 스펙트럼 효율성이 계속 증가하는가?
• RQ3 고 SNR에서 IRS의 위상 노이즈는 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 에너지 효율성 최적화를 위한 최적 전송 전력은 AP의 RF 결함 수준에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 하드웨어 결함 하에서 에너지 효율성 최적화를 위한 최적 전송 전력에 대한 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 스펙트럼 효율성은 무한대의 AP 안테나와 IRS 요소가 있음에도 불구하고 하드웨어 결함으로 인해 본질적으로 제한되며, 이는 이상적인 하드웨어 조건과는 대조된다.
• 고 SNR에서의 성능 저하는 주로 AP의 RF 결함에서 기인하며, IRS의 위상 노이즈 때문이 아니다.
• 고 SNR 영역에서 위상 노이즈의 영향은 점점 감소하여 고 SNR에서 무시할 수 있을 정도로 작아진다.
• 에너지 효율성 최적화를 위한 최적 전송 전력은 AP의 RF 결함 수준이 악화될수록 증가한다.
• 유도된 최적 전송 전력의 폐쇄형 해는 시뮬레이션 결과와 정확히 일치하며, Lambert W 함수로 표현된다.
• 이상적인 하드웨어 조건은 연속 위상 IRS의 더 높은 정적 하드웨어 전력으로 인해 에너지 효율성에서 비이상적 조건을 능가할 수 있으며, 이는 현실적인 모델링의 중요성을 강조한다.