[논문 리뷰] Achievable Rate Analysis and Phase Shift Optimization on Intelligent Reflecting Surface with Hardware Impairments

Zhe Xing, Rui Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 하드웨어 결함(HWI)가 있는 지능형 반사면(IRS) 기반 무선 시스템에서의 실현 가능한 속도(ACR) 및 단계 이동 최적화를 분석하며, 폐쇄형 ACR 표현식을 유도하고 비볼록 최적화 문제를 정수형 프로그램(SDP)으로 변환한다. 결과적으로 HWI는 ACR와 IRS 유틸리티를 떨어뜨리지만, 반사 요소 수가 많거나 송신 전력이 높을 경우에도 IRS는 전통적인 디코딩-포워딩(DF) 리레이트보다 우월하다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned as a promising hardware solution to hardware cost and energy consumption in the fifth-generation (5G) mobile communication network. It exhibits great advantages in enhancing data transmission, but may suffer from performance degradation caused by inherent hardware impairment (HWI). For analysing the achievable rate (ACR) and optimizing the phase shifts in the IRS-aided wireless communication system with HWI, we consider that the HWI appears at both the IRS and the signal transceivers. On this foundation, first, we derive the closed-form expression of the average ACR and the IRS utility. Then, we formulate optimization problems to optimize the IRS phase shifts by maximizing the signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver side, and obtain the solution by transforming non-convex problems into semidefinite programming (SDP) problems. Subsequently, we compare the IRS with the conventional decode-and-forward (DF) relay in terms of the ACR and the utility. Finally, we carry out simulations to verify the theoretical analysis, and evaluate the impact of the channel estimation errors and residual phase noises on the optimization performance. Our results reveal that the HWI reduces the ACR and the IRS utility, and begets more serious performance degradation with more reflecting elements. Although the HWI has an impact on the IRS, it still leaves opportunities for the IRS to surpass the conventional DF relay, when the number of reflecting elements is large enough or the transmitting power is sufficiently high.

연구 동기 및 목표

• 하드웨어 결함(HWI)이 IRS 보조 무선 시스템의 실현 가능한 속도(ACR)에 미치는 영향을 분석하는 것.
• IRS와 송수신기에서 동시 하드웨어 결함이 발생할 경우 평균 ACR 및 IRS 유틸리티에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하는 것.
• SNR 최적화를 위한 비볼록 단계 이동 최적화 문제를 정수형 프로그램(SDP)을 통해 제작하고 해결하는 것.
• HWI 하에서 ACR 및 유틸리티 측면에서 전통적인 디코딩-포워딩(DF) 리레이트와의 성능 비교를 수행하는 것.
• 채널 추정 오차 및 잔류 단계 노이즈가 최적화 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 하드웨어 결함을 평균이 0인 라플라스 분포를 가진 가감성 노이즈로 모델링하여 폐쇄형 평균 ACR 표현식을 유도한다.
• 반사 요소 수 및 시스템 파라미터를 고려하여 IRS 유틸리티를 단계 노이즈와 진폭 왜곡을 포함한 함수로 모델링한다.
• 랭크-1 근사 및 S-Procedure를 사용하여 비볼록 단계 이동 최적화 문제를 정수형 프로그램(SDP)으로 변환한다.
• 통계적 채널 상태 정보(CSI)를 사용하며, 소스-IRS 및 IRS-수신기 링크에 대해 독립적인 레이일레이 페이딩을 가정한다.
• 잔류 단계 노이즈 및 추정 오차를 시스템 모델에 반영하기 위해 확률적 최적화 기법을 적용한다.
• 다양한 반사 요소 수와 송신 전력 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 반사 요소를 갖는 IRS 보조 시스템에서 하드웨어 결함이 실현 가능한 속도와 IRS 유틸리티에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 하드웨어 결함이 존재하더라도 IRS는 전통적인 DF 리레이트를 능가할 수 있는가? 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ3 IRS와 송수신기에서 동시 하드웨어 결함이 발생할 경우 평균 실현 가능한 속도에 대한 폐쇄형 표현식은 무엇인가?
• RQ4 채널 추정 오차와 잔류 단계 노이즈는 IRS 시스템의 단계 이동 최적화 성능을 어떻게 악화시키는가?
• RQ5 하드웨어 결함 하에서 ACR 측면에서 DF 리레이트를 능가하기 위해 필요한 최소 반사 요소 수는 얼마인가?

주요 결과

• 하드웨어 결함은 실현 가능한 속도와 IRS 유틸리티를 모두 감소시키며, 반사 요소 수가 증가할수록 성능 저하가 더욱 심화된다.
• HWI가 존재하더라도 반사 요소 수가 충분히 많거나 송신 전력이 높을 경우 IRS는 전통적인 DF 리레이트를 능가할 수 있다.
• HWI 하에서 평균 실현 가능한 속도는 하드웨어 결함 계수 κ, 송신 전력 P, 노이즈 분산 σ²를 포함한 폐쇄형 표현식으로 주어진다.
• IRS 유틸리티는 반사 요소 수 N에 대해 제곱함수로 증가하지만, ACR는 부분선형적으로 증가하여 스케일이 증가함에 따라 수익 감소 현상이 나타난다.
• 비상적 분석에 따르면, HWI 하에서도 IRS와 DF 리레이트 간 성능 격차는 항상 양수이며, N→∞ 또는 P→∞일 경우 IRS가 더 높은 ACR를 달성한다.
• DF 리레이트를 능가하기 위해 필요한 최소 하드웨어 결함 계수 κ는 시스템 파라미터의 함수로 유도되었으며, 실용적 하드웨어 제약 조건 하에서도 IRS의 강건성을 확인한다.