[논문 리뷰] Towards Smart and Reconfigurable Environment: Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Network

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 19인용 수 250

한 줄 요약

본 논문은 지능형 반사 표면(IRS) 기술을 이용한 무선 환경 재구성에 대해 조사하고, 신호 모델과 하드웨어 아키텍처를 제시하며, 패시브 빔포밍, 채널 취득, 배치의 설계 과제를 논의하고, 전력 증가 및 간섭 억제를 입증하는 수치 결과를 제공합니다.

ABSTRACT

Although the fifth-generation (5G) technologies will significantly improve the spectrum and energy efficiency of today's wireless communication networks, their high complexity and hardware cost as well as increasingly more energy consumption are still crucial issues to be solved. Furthermore, despite that such technologies are generally capable of adapting to the space and time varying wireless environment, the signal propagation over it is essentially random and largely uncontrollable. Recently, intelligent reflecting surface (IRS) has been proposed as a revolutionizing solution to address this open issue, by smartly reconfiguring the wireless propagation environment with the use of massive low-cost, passive, reflective elements integrated on a planar surface. Specifically, different elements of an IRS can independently reflect the incident signal by controlling its amplitude and/or phase and thereby collaboratively achieve fine-grained three-dimensional (3D) passive beamforming for signal enhancement or cancellation. In this article, we provide an overview of the IRS technology, including its main applications in wireless communication, competitive advantages over existing technologies, hardware architecture as well as the corresponding new signal model. We focus on the key challenges in designing and implementing the new IRS-aided hybrid (with both active and passive components) wireless network, as compared to the traditional network comprising active components only. Furthermore, numerical results are provided to show the potential for significant performance enhancement with the use of IRS in typical wireless network scenarios.

연구 동기 및 목표

• 향후 네트워크에서 용량과 에너지 효율성을 향상시키기 위해 재구성 가능한 무선 환경의 필요성을 자극한다.
• IRS 개념, 그 하드웨어 아키텍처, 및 패시브 반사를 위한 실용 신호 모델을 소개한다.
• 패시브 빔포밍, 채널 취득 및 배치 전략의 핵심 설계 과제를 식별하고 논의한다.
• Relaxation, alternating optimization, codebooks, 및 데이터 기반 배치 아이디어를 포함한 실용적 해결책 접근법을 제안한다.
• 전력 증가 및 간섭 억제를 입증하여 IRS의 이점을 수치적으로 보여준다.]
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제안 방법

• IRS 반사 계수 y_n = β_n e^{jθ_n} x_n인 이진 백스캐터 채널 모델을 각 요소 n에 대해 정의한다.
• PIN 다이오드, MEMS, 또는 FET를 이용해 이산 진폭/위상 제어를 가능하게 하는 3계층 메타표면 아키텍처를 설명한다.
• 성과에 대한 이산 진폭/위상 양자화와 그 영향에 대해 논의하며 실용적으로 1-비트 진폭 및/또는 2-비트 위상 옵션을 권장한다.
• 연속 설정/양자화 설정에 대해 alternating optimization 및 SDR 기반 접근법을 포함한 joint active(전송기) 및 passive(IRS) 빔포밍 설계를 개략한다.
• IRS 채널 취득 전략: IRS 수신 체인이 있는지 여부, 서브 어레이 기법, TDD 재귀성, 코드북 기반 빔포밍, 학습 기반 빔 설계를 설명한다.
• LoS 및 비 LoS 경로, 다중 셀 협력 및 잠재적 ML 구동 자율 배치를 포함한 배치 고려사항을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS를 어떻게 모델링하고 무선 채널에 통합하여 건설적 반사 및 간섭 관리가 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 IRS 소자의 실용적인 하드웨어 제약 및 이산 파라미터 옵션은 무엇이며, 이것이 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 IRS 지원 네트워크에서 활성 전송 빔포밍과 패시브 IRS 빔포밍을 어떻게 공동 설계해야 하며 어떤 최적화 방법이 효과적인가?
• RQ4 Dedicated IRS 수신 체인이 있거나 없을 때 가능한 IRS 채널 취득 전략은 무엇이며, 사전 데이터를 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ5 다중 셀 시나리오에서 커버리지, MIMO 채널의 차수, 간섭 억제를 최대화하기 위해 IRS를 어디에 배치해야 하는가?

주요 결과

• IRS를 이용한 수신 전력은 N이 커질수록 단일 사용자 설정에서 점근적으로 O(N^2)으로 스케일한다.
• b-비트 위상 양자화와 함께 동일한 O(N^2) 스케일링은 양자화 비트 수 b에 의존하는 상수 손실과 함께 달성된다.
• 활성 전송 빔포밍과 수동 IRS 빔포밍의 결합은 IRS가 없는 벤치마크에 비해 필요 BS 전송 전력을 크게 감소시킨다.
• IRS는 동반 채널 간섭을 크게 억제할 수 있으며, 더 큰 N과 연속 위상/진폭 최적화를 통해 간섭이 적은 영역을 달성한다.
• 이산 진폭/위상 제약은 정확한 최적화에 NP-hard를 도입하지만 완화(relaxation)와 교호 최적화는 실용적인 근사 해를 제공한다.
• 배치 고려사항은 IRS가 BS와의 LoS를 갖고 충분한 다중 경로 풍부성을 가지며, ML이 자율적 배치를 돕을 수 있음을 시사한다.