[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Aided Power Control for Physical-Layer Broadcasting

Huimei Han, Jun Zhao외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 31.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 70인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 물리계층 브로드캐스트에서 기지국(BS)의 전송 전력 최소화를 위해 공동 전송 beamforming 및 지능형 반사 표면(IRS)의 위상 시프트 최적화를 제안한다. RIS를 활용하여 신호 전파를 향상시킴으로써, 상당한 전력 절감을 달성하였으며, 이는 이론적 하한에 매우 가까운 평균 전송 전력과 기존의 RIS가 없는 시스템보다 훨씬 낮은 전력 소비를 보여준다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS), a recently introduced technology for future wireless com-munication systems, enhances the spectral and energy efficiency by intelligently adjusting the propaga-tion conditions between a base station (BS) and mobile equipments (MEs). An RIS consists of manylow-cost passive reflecting elements to improve the quality of the received signal. In this paper, westudy the problem of power control at the BS for the RIS aided physical-layer broadcasting. Our goalis to minimize the transmit power at the BS by jointly designing the transmit beamforming at the BSand the phase shifts of the passive elements at the RIS. Furthermore, to help validate the proposedoptimization methods, we derive lower bounds to quantify the average transmit power at the BS as afunction of the number of MEs, the number of RIS elements, and the number of antennas at the BS.The simulation results demonstrated that the average transmit power at the BS is close to the lowerbound in an RIS aided system, and is significantly lower than the average transmit power in conventionalschemes without the RIS.

연구 동기 및 목표

• RIS가 보조된 물리계층 브로드캐스트 시스템에서 기지국(BS)의 전송 전력을 최소화하기 위해.
• 기지국의 전송 beamforming과 RIS에 있는 수동 반사 요소의 위상 시프트를 공동으로 최적화하기 위해.
• 시스템 파라미터(수신기 수, RIS 요소 수, BS 안테나 수)에 따라 평균 전송 전력의 해석적 하한을 유도하기 위해.
• 시뮬레이션을 통해 제안된 최적화를 검증하고 기존의 RIS가 없는 시스템과 성능을 비교하기 위해.
• 에너지 효율 향상 측면에서 RIS 보조 시스템의 성능 향상을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 전체 전송 전력을 최소화하기 위해 기지국의 전송 beamforming 벡터와 RIS 요소의 위상 시프트를 공동으로 최적화하기 위해.
• 다수의 이동 단말기(MEs)에 대한 품질보장(QoS) 제약 조건 하에서 전력 최소화 문제를 수립하기 위해.
• 시스템 차원(수신기 수, RIS 요소 수, BS 안테나 수)을 바탕으로 평균 전송 전력의 이론적 하한을 유도하기 위해.
• 비볼록 공동 최적화 문제를 해결하기 위해 볼록 완화와 교대 최적화 기법을 사용하기 위해.
• 레이지 fading 채널 조건 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 해를 검증하기 위해.
• 제안된 방법의 평균 전송 전력과 RIS가 없는 기존 시스템의 평균 전송 전력 간을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리계층 브로드캐스트 환경에서 beamforming과 RIS 위상 시프트를 공동으로 최적화함으로써 얼마나 많은 전력 절감을 달성할 수 있는가?
• RQ2 RIS가 보조된 시스템에서 시스템 크기에 따라 평균 전송 전력의 이론적 하한은 어떻게 되는가?
• RQ3 실제 시나리오에서 제안된 방법이 유도된 하한에 비해 얼마나 가까이 성능을 달성하는가?
• RQ4 기존의 RIS가 없는 시스템에 비해 RIS는 에너지 효율 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 RIS 요소 수, BS 안테나 수, ME 수가 달성 가능한 전력 절감에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 RIS 보조 시스템에서의 평균 전송 전력은 유도된 이론적 하한과 매우 가까운 수준이다.
• 제안된 방법은 RIS가 없는 기존 시스템보다 훨씬 낮은 평균 전송 전력을 달성한다.
• RIS 요소 수와 BS 안테나 수가 많을수록 성능 향상이 더욱 두드러진다.
• 실제 전력과 하한 전력 수준 간의 격차가 작기 때문에, 시스템은 높은 강건성과 확장성을 보인다.
• beamforming과 위상 시프트의 공동 최적화로 물리계층 브로드캐스트에서 상당한 에너지 효율 향상이 달성된다.