[논문 리뷰] Wireless Communication Aided by Intelligent Reflecting Surface: Active or Passive?

Changsheng You, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 무선 통신에서 능동형 및 수동형 지능형 반사면(Intrinsic Reflecting Surface, IRS)을 비교하며, 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 IRS의 위치를 최적화한다. 최적화된 배치 조건에서 반사 요소 수가 많거나 증폭 전력 수준이 낮을 경우, 특히 동시 상行-하행 링크 환경에서는 수동형 IRS가 능동형 IRS를 능가함을 보여준다. 이는 보다 단순하고 내구성이 뛰어난 위치 배치 전략 덕분이다.

ABSTRACT

In this letter, we consider an intelligent reflecting surface (IRS)-aided wireless communication system, where an active or passive IRS is employed to assist the communication between an access point and a user. First, we consider the downlink/uplink communication separately and optimize the IRS placement for rate maximization with an active or passive IRS. We show that the active IRS should be deployed closer to the receiver with the IRS's decreasing amplification power; while in contrast, the passive IRS should be deployed near either the transmitter or receiver. Moreover, with optimized IRS placement, the passive IRS is shown to outperform its active counterpart when the number of reflecting elements is sufficiently large and/or the active-IRS amplification power is too small. Next, we optimize the IRS placement for both active and passive IRSs to maximize the weighted sum-rate of uplink and downlink communications. We show that in this case, the passive IRS is more likely to achieve superior rate performance. This is because the optimal active-IRS placement needs to balance the rate performance in the uplink and downlink, while deploying the passive IRS near the transmitter or receiver is optimal regardless of the uplink or downlink.

연구 동기 및 목표

• 최적화된 배치 조건 하에서 수동형 또는 능동형 IRS가 어느 것이 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하는지 조사하기 위해.
• 하향 및 상향 통신에서 IRS 유형, 반사 요소 수, 증폭 전력 간의 상호 상충 관계를 분석하기 위해.
• 통합 상행-하향 링크 시스템에서 가중합률을 극대화하는 최적의 IRS 위치를 규명하기 위해.
• IRS 고도 및 전력 예산이 능동형 및 수동형 IRS 구성의 전송률 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 직선 시야(LoS) 채널과 단일 안테나 사용자를 가정하여, 능동형 및 수동형 IRS에 대해 하향 및 상향 링크 전송률 극대화 문제를 수립한다.
• AP로부터의 수평 거리인 IRS 위치를 일차원 검색을 통해 최적화하여, 능동형 및 수동형 IRS의 스펙트럼 효율성을 극대화한다.
• 수동형 IRS의 경우 도달 가능한 전송률에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하며, 이는 비례 관계가 N²에 비례하는 빔포밍 이득을 갖는다. 능동형 IRS의 경우는 증폭 이득이 N에 비례한다.
• 경로 손실 최소화 및 신호-인터패런스-노이즈비(SINR) 분석에 기반한 부분 최적의 위치 배치 근사치를 사용한다.
• 동일한 반사 요소 수와 전력 예산 조건에서, 다양한 하향 링크 가중치 및 IRS 고도 조건에서 가중합률 성능을 평가하고, 능동형 및 수동형 IRS를 비교한다.
• 실제 파rameter를 사용한 수치 시뮬레이션을 수행한다: N = 400–600개 요소, H = 1.5 m, f = 0.75 GHz, P_A = 20 dBm, P_U = 15 dBm, σ² = -80 dBm.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 반사 요소 수 조건에서, 하향 링크 전송률 성능에 대해 IRS 위치가 능동형 대비 수동형 IRS에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜냐하면 능동형 IRS는 신호 증폭 기능을 갖추고 있음에도 불구하고, 어떤 조건에서 수동형 IRS가 스펙트럼 효율성 면에서 능동형 IRS를 능가하는가?
• RQ3 통합 상행-하향 링크 통신 환경에서, 능동형 및 수동형 IRS의 최적 IRS 위치는 어떻게 다를까?
• RQ4 IRS 고도는 능동형 및 수동형 IRS 시스템의 전송률 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 하향 링크 가중치 변화에 따라 능동형 및 수동형 IRS 시스템의 가중합률은 어떻게 변하고, 상하향 요구사항이 균형을 이루는 조건에서 어느 IRS 유형이 더 높은 성능을 달성하는가?

주요 결과

• 하향 링크 전용 통신에서는, 증폭 전력이 감소할수록 능동형 IRS는 사용자에 가까이 설치되어야 하며, 이는 경로 손실과 증폭 이득 간 균형을 맞추기 위함이다.
• 최적의 위치 배치 조건에서, P_F = 5 dBm일 경우 N ≥ 300, P_F = 0 dBm일 경우 N ≥ 250일 때 수동형 IRS가 능동형 IRS보다 더 높은 하향 링크 전송률을 달성한다. 이는 N² 비례 빔포밍 이득이 뛰어나기 때문이다.
• 통합 상행-하향 링크 시스템에서는, 하향 링크 가중치가 높을 경우 수동형 IRS가 능동형 IRS를 능가한다. 이는 수동형 IRS가 송신기 또는 수신기에 근접한 위치에 놓일 경우 양 링크에 모두 최적의 성능을 낼 수 있기 때문이다.
• 최적의 능동형 IRS 위치는 상행 및 하향 링크 성능을 균형 잡는 데 필요하므로, 가중치가 균형을 이루는 경우 수동형 IRS와 달리 전송률 손실이 발생한다. 반면 수동형 IRS는 통합 최적 위치를 가짐으로써 이 문제를 피한다.
• IRS 고도가 증가할수록 수동형 IRS 성능은 심각하게 악화되지만, 능동형 IRS는 고도 변화에 덜 민감하여, 수동형 IRS가 저고도 배치에 더 적합함을 시사한다.
• 부분 최적의 능동형 IRS 위치 배치 방법은 특히 높은 증폭 전력 조건에서 최적 해를 잘 근사하며, 이는 실용적인 배치 전략으로서의 타당성을 입증한다.