[논문 리뷰] Intelligent reflecting surface assisted multi-cell multi-band wireless networks

Wenhao Cai, Rang Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실용적인 주파수 의존성 IRS 위상 이득 모델을 사용하여 다셀 다대역 무선 네트워크에서 지능형 반사 표면(IRS)을 지원하는 공동 전송 및 반사 beamforming 설계를 제안한다. 이 방법은 총 전송 전력을 크게 감소시키며, 특히 주파수 선택적 IRS 응답을 가지는 다대역 조건에서 이상 모델 기반 설계보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is deemed as a promising and revolutionizing technology for future wireless communication systems owing to its capability to intelligently change the propagation environment and introduce a new dimension into wireless communication optimization. Most existing studies on IRS are based on an ideal reflection model. However, it is difficult to implement an IRS which can simultaneously realize any adjustable phase shift for the signals with different frequencies. Therefore, the practical phase shift model, which can describe the difference of IRS phase shift responses for the signals with different frequencies, should be utilized in the IRS optimization for wideband and multi-band systems. In this paper, we consider an IRS-assisted multi-cell multi-band system, in which different base stations (BSs) operate at different frequency bands. We aim to jointly design the transmit beamforming of BSs and the reflection beamforming of the IRS to minimize the total transmit power subject to signal to interference-plus-noise ratio (SINR) constraints of individual user and the practical IRS reflection model. With the aid of the practical phase shift model, the influence between the signals with different frequencies is taken into account during the design of IRS. Simulation results illustrate the importance of considering the practical communication scenario on the IRS designs and validate the effectiveness of our proposed algorithm.

연구 동기 및 목표

• 다대역 시스템에서 실용적인 주파수 의존성 위상 이득을 모델링하여 IRS 연구의 격차를 해소한다.
• 다양한 주파수 대역 간 간섭과 실용적인 IRS 하드웨어 제약 조건을 고려한 공동 beamforming 최적화 문제를 수립한다.
• 다세포 환경에서 개별 사용자의 SINR 요구 조건을 충족시키면서 모든 기지국의 총 전송 전력을 최소화한다.
• 실용적인 IRS 모델 하에서 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 반복적 알고리즘을 개발한다.
• 다대역 시나리오에서 이상 가정 대비 실용적인 IRS 모델을 사용할 경우 성능 향상 여부를 입증한다.

제안 방법

• IRS 요소의 등가 회로에서 유도된 실용적인 IRS 위상 이득 모델을 제안하여 주파수 의존성 응답의 차이를 반영한다.
• 주파수에 따라 달라지는 위상 이득을 가진 대각 행렬로 IRS 반사 행렬을 모델링하며, 각 요소의 주파수 응답을 매개변수화된 벡터 $\mathbf{a}_m$으로 표현한다.
• 모든 기지국의 총 전송 전력을 최소화하는 비볼록 최적화 문제를 수립하며, 개별 사용자 SINR 제약 조건과 실용적인 IRS 모델을 고려한다.
• 문제를 두 개의 하위문제로 분해한다: 이진 최적화를 통한 IRS 사용자 선택과 CVX를 이용한 볼록 근사화를 통한 전송 beamformer 설계.
• 교차 최적화 방법을 적용한다: IRS 사용자 선택 행렬 $\mathbf{A}$ 를 고정하고 beamformers $\mathbf{W}$ 를 구하고, 그 다음 $\mathbf{W}$ 를 고정하고 $\mathbf{A}$ 를 반복적으로 최적화한다.
• 각 IRS 주파수 대역에 대해 사용자를 선택하는 휴리스틱 알고리즘을 적용하여, 여러 대역에서 신호를 향상시키되 다른 대역의 성능을 떨어뜨리지 않도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적인 IRS 요소의 주파수 선택적 응답은 다대역 다셀 네트워크에서 beamforming 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비대상 주파수 신호에서 발생하는 대역 간 간섭을 忽시할 경우 IRS 지원 시스템 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실용적인 IRS 모델 하에서 공동 전송 및 반사 beamforming 설계는 이상 모델 기반 설계보다 더 뛰어난 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 다양한 대역에서의 IRS 사용자 선택은 총 전송 전력과 시스템 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다세포 다대역 시나리오에서 이상 가정 대비 실용적인 IRS 모델을 사용할 경우의 성능 향상은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 실용적인 IRS 모델은 이상 모델에서 忽시되는 주파수 의존성 위상 이득을 반영함으로써 시스템 성능을 크게 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 알고리즘이 이상 IRS 모델보다 총 전송 전력을 더 낮게 유지하며, 사용자 수와 주파수 대역 수가 증가할수록 이점이 더욱 두드러진다.
• IRS가 다수의 대역에서 사용자를 지원할 경우 성능 향상이 가장 두드러지며, 이는 대역 간 간섭 모델링의 중요성을 강조한다.
• 실용적인 IRS 제약 조건 하에서도 IRS 사용자 선택 기반 알고리즘이 단일 대역에서만 사용자를 지원하는 기법보다 뛰어난 성능을 발휘한다.
• IRS 요소 수를 늘일수록 총 전송 전력이 더욱 감소하며, 이상 모델 대비 실용적 모델 하에서도 이 성능 향상이 유지된다.
• w/IRS 및 이상 모델 곡선은 상한선으로서, 실제 IRS 하드웨어 제약으로 인해 이론적 성능 한계에 도달할 수 없음을 보여준다.