[논문 리뷰] User Scheduling and Passive Beamforming for FDMA/OFDMA in Intelligent Reflection Surface

Wei Jiang, Hans D. Schotten|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 지능형 반사 표면(IRS)으로 향상된 FDMA/OFDMA 시스템에서 사용자 스케줄링과 수동 비음향형 조절을 조사하며, 사용자 수가 적을 경우 사용자 스케줄링이 불필요하며, 사용자 수가 많을 경우 스케줄링과 비음향형 조절 최적화 모두 필요로 하지 않음을 밝혀내어 성능 손실 없이 시스템을 크게 단순화시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Most prior works on intelligent reflecting surface (IRS) merely consider point-to-point communications, including a single user, for ease of analysis. Nevertheless, a practical wireless system needs to accommodate multiple users simultaneously. Due to the lack of frequency-selective reflection, namely the set of phase shifts cannot be different across frequency subchannels, the integration of IRS imposes a fundamental challenge to frequency-multiplexing approaches such as frequency-division multiple access (FDMA) and the widely adopted technique called orthogonal FDMA (OFDMA). It motivates us to study (O)FDMA-based multi-user IRS communications to clarify which user scheduling and passive beamforming are favorable under this non-frequency-selective reflection environment. Theoretical analysis and numerical evaluation reveal that (O)FDMA does not need user scheduling when there are a few users. If the number of users becomes large, neither user scheduling nor IRS reflection optimization is necessary. These findings help substantially simplify the design of (O)FDMA-based IRS communications.

연구 동기 및 목표

• 비주파수 선택적 IRS를 주파수 multiplexing 기법인 FDMA 및 OFDMA와 통합하는 데 도전하는 문제를 다루기 위해.
• 제한된 주파수 선택적 반사 특성을 가진 IRS 보조 FDMA 시스템에서 사용자 스케줄링과 수동 비음향형 조절 최적화가 성능 향상에 기여하는지 조사하기 위해.
• 특히 하위채널별 단일 위상 이동 기능이 없는 실용적 하드웨어 제약 조건 하에서 최적의 시스템 설계 전략을 규명하기 위해.
• 스펙트럼 효율성과 복잡도 측면에서 다양한 사용자 스케줄링 및 비음향형 조절 전략(예: 전수 검색, 무작위 선택, 가장 가까운/먼 사용자 선택 등)을 비교하기 위해.
• 이론적 통찰을 도출하고 수치적 검증을 통해 향후 6G FDMA/OFDMA 네트워크에 있는 IRS의 구현을 단순화하기 위해.

제안 방법

• 기지국(BS), K개의 단일 안테나 사용자, N개의 수동 반사 요소를 갖는 IRS를 갖는 다중 사용자 MIMO 시스템을 제안한다.
• IRS를 주파수 평탄한(비주파수 선택적) 위상 이동 행렬 Θ를 갖는 수동 반사체로 모델링하며, 이는 하위채널별 비음향형 조절을 제한한다.
• 다양한 사용자 스케줄링 전략(전수 검색(FDMA-EUS), 무작위 선택(FDMA-RU), 가장 가까운/먼 사용자 선택(FDMA-Near/Far), 고정 사용자 선택) 하에서 스펙트럼 효율성을 분석한다.
• 고정된 사용자 선택 조건 하에서 사용자별 프리코딩과 IRS 위상 이동을 동시에 최적화하기 위해 교차 최적화를 적용하였으며, 약 3회 반복 이내 수렴함을 관찰하였다.
• 세포 중심 및 세포 에지 사용자를 포함한 현실적인 시뮬레이션 설정을 사용하여 TDMA 및 NOMA를 벤치마크로 비교하여 성능를 평가하였다.
• 다양한 사용자 수(K=2 및 K=20) 조건에서 이론적 스펙트럼 효율성 수식을 유도하고, 수치 결과를 통해 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비주파수 선택적 IRS 반사 특성을 갖는 FDMA-IRS 시스템에서 사용자 스케줄링이 성능 향상에 기여하는가?
• RQ2 FDMA-IRS 시스템에서 스펙트럼 효율성 최적화를 위해 IRS를 통한 공동 수동 비음향형 조절 최적화가 필수적인가?
• RQ3 사용자 수가 FDMA-IRS 시스템에서 사용자 스케줄링과 비음향형 조절 최적화의 필요성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 최적 전략(예: 최적 위상 이동과 함께 전수 사용자 검색)과 저복잡도 대안(예: 무작위 사용자 및 위상 선택) 간의 성능 격차는 얼마인가?
• RQ5 고밀도 사용자 환경에서 FDMA-IRS 시스템에서 무작위 사용자 선택과 무작위 위상 이동이 거의 최적의 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 사용자 수가 적을 경우(예: K=2), 사용자 스케줄링은 최소한의 성능 향상을 제공하며, FDMA-IRS는 최적 성능을 위해 사용자 스케줄링이 필요로 하지 않는다.
• 사용자 수가 많을 경우(예: K=20), 사용자 스케줄링이나 수동 비음향형 조절 최적화가 모두 불필요하며, 무작위 선택 전략으로도 거의 최적의 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있고, 손실이 1 bps/Hz 미만이다.
• 무작위 위상 이동 조건 하에서도 FDMA-IRS는 95% 확률로 15 bps/Hz, 50% 확률로 18.6 bps/Hz의 스펙트럼 효율성을 달성하여, IRS 없이 기존 FDMA 대비 거의 3배 향상된 성능를 보인다.
• 최적 위상 이동과 함께 전수 사용자 검색(FDMA-EUS)은 95% 확률로 19 bps/Hz, 50% 확률로 22.5 bps/Hz의 성능를 기록하며, 고정 사용자 선택(가장 가까운/먼 사용자) 전략보다 약간 우수하다.
• TDMA-IRS는 시간 분할 비음향형 조절 덕분에 FDMA-IRS보다 더 높은 스펙트럼 효율성(95% 확률 기준 22.18 bps/Hz)을 달성하지만, FDMA-IRS는 무작위 선택 전략으로 TDMA-IRS 성능의 95%를 달성하면서도 훨씬 낮은 복잡도를 갖는다.
• 결과적으로 고밀도 사용자 환경에서는 캐스케이드 채널 추정, IRS 조정, 스마트 컨트롤러 백홀을 피할 수 있으며, 성능 손실 없이 시스템 설계를 극적으로 단순화시킬 수 있다.