[논문 리뷰] Target Sensing with Intelligent Reflecting Surface: Architecture and Performance

Xiaodan Shao, Changsheng You외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 직접 및 IRS 반사 에코 신호를 활용하여 목표물 위치 추적을 가능하게 하는 새로운 자기감지 지능형 반사 표면(IUS) 아키텍처를 제안한다. 수신기에서의 에코 신호 강도를 극대화하기 위해 수동 반사 계수를 최적화하고, 각도 추정에 대한 크래머-라오 하한(CRB)을 유도함으로써, 전용 송신기가 없이도 높은 정밀도의 센싱 성능을 달성하며, 경로 손실과 가림 현상 하에서도 기존 시스템보다 정확도와 강인성 면에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) has emerged as a promising technology to reconfigure the radio propagation environment by dynamically controlling wireless signal's amplitude and/or phase via a large number of reflecting elements. In contrast to the vast literature on studying IRS's performance gains in wireless communications, we study in this paper a new application of IRS for sensing/localizing targets in wireless networks. Specifically, we propose a new self-sensing IRS architecture where the IRS controller is capable of transmitting probing signals that are not only directly reflected by the target (referred to as the direct echo link), but also consecutively reflected by the IRS and then the target (referred to as the IRS-reflected echo link). Moreover, dedicated sensors are installed at the IRS for receiving both the direct and IRS-reflected echo signals from the target, such that the IRS can sense the direction of its nearby target by applying a customized multiple signal classification (MUSIC) algorithm. However, since the angle estimation mean square error (MSE) by the MUSIC algorithm is intractable, we propose to optimize the IRS passive reflection for maximizing the average echo signals' total power at the IRS sensors and derive the resultant Cramer-Rao bound (CRB) of the angle estimation MSE. Last, numerical results are presented to show the effectiveness of the proposed new IRS sensing architecture and algorithm, as compared to other benchmark sensing systems/algorithms.

연구 동기 및 목표

• 6G 무선 네트워크에서 심한 경로 손실과 가림 현상 하에서도 고정밀, 저비용의 목표물 센싱 요구를 해결하기 위해.
• 기존 단일 경로 및 이중 경로 센싱 시스템의 한계를 극복하기 위해 IRS가 반사체이자 센싱 플랫폼으로서 기능할 수 있도록 하기 위해.
• 직접 및 IRS 반사 에코 신호를 모두 활용하여 목표물의 방향을 추정할 수 있는 자기감지 IRS 아키텍처를 개발하기 위해.
• IRS 센서에서 수신하는 총 에코 신호 강도를 극대화하기 위해 수동 반사 계수를 최적화하여 각도 추정 정확도를 향상시키기 위해.
• 각도 추정의 평균 제곱 오차(MSE)에 대한 크래머-라오 하한(CRB)을 유도하여 제안된 센싱 프레임워크의 이론적 성능 한계를 제공하기 위해.

제안 방법

• IRS는 목표물로부터 온 직접 및 IRS 반사 에코 신호를 수신하기 위한 전용 센서를 갖춘다.
• 결합된 에코 신호를 이용하여 도착각(DoA)을 추정하기 위해 맞춤형 다중 신호 분류(MUSIC) 알고리즘을 적용한다.
• IRS 센서에서 수신하는 총 에코 신호 강도를 극대화하기 위해 IRS의 수동 반사 계수를 최적화한다.
• 최적화된 신호 모델과 에코 신호의 통계적 성질을 바탕으로 각도 추정의 평균 제곱 오차(MSE)에 대한 크래머-라오 하한(CRB)을 유도한다.
• 피셔 정보 행렬을 사용하여 폐쇄형 표현으로 CRB를 표현하며, 신호 대 잡음비, 어레이 응답 벡터, 그리고 IRS에서 목표물로의 왕복 효율 채널 이득을 포함한다.
• 이론적 분석은 IRS 요소 구성, 신호 상관성, 어레이 기하학이 추정 정확도에 미치는 영향을 고려한다.

Figure 1: Different IRS-aided sensing systems.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전용 송신기가 없이도 IRS를 설계하여 통신과 목표물 센싱을 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ2 직접 및 IRS 반사 에코 신호를 공동으로 사용할 경우, 기존 시스템 대비 목표물 위치 추적 정확도가 어떻게 향상되는가?
• RQ3 IRS 센서에서 에코 신호 강도를 극대화하기 위해 최적의 수동 반사 비드포밍 설계는 무엇인가?
• RQ4 제안된 IRS 센싱 아키텍처에 대한 각도 추정 MSE의 이론적 하한은 무엇인가?
• RQ5 IRS 크기, 신호 대 잡음비, 어레이 기하학에 따라 각도 추정의 CRB는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 자기감지 IRS 아키텍처는 직접 및 IRS 반사 에코 신호를 활용하여 고정밀 목표물 위치 추적을 실현하며, 별도의 레이더 송신기가 필요 없어진다.
• 총 에코 신호 강도를 극대화하기 위해 수동 반사 계수를 최적화함으로써 IRS 센서에서의 신호 대 잡음비가 크게 향상되어 추정 정확도가 향상된다.
• 각도 추정 MSE에 대한 유도된 크래머-라오 하한(CRB)은 폐쇄형 표현으로 표현되었으며, 이 하한은 효율 채널 이득의 제곱에 반비례하고 IRS 요소 수에 비례함을 보여준다.
• 수치 결과는 제안된 시스템이 고경로 손실 및 가림 조건에서 기존의 단일 경로 및 이중 경로 센싱 시스템보다 위치 추적 정확도 면에서 뛰어나다는 것을 입증한다.
• CRB 분석을 통해 IRS가 목표물과 적절히 정렬되어 있고, 최적의 위상 이동을 통해 신호 상관성을 극대화할 경우 추정 오차가 최소화됨을 확인하였다.
• IRS가 목표물 근처에 위치할 경우 성능 향상이 가장 두드러지며, 이는 왕복 경로 손실을 감소시키고 IRS 반사 에코 신호의 강도를 높이기 때문이다.

Figure 2: An IRS-self-sensing system.