[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Network: Joint Active and Passive Beamforming Design

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 액세스 포인트(AP)에서의 공동 활성 전송 beamforming과 지능형 반사 표면(IRS)에서의 수동 위상 이득 최적화를 통해 단일 안테나 사용자에서 수신되는 신호 전력의 최대화를 제안한다. 준정적 프로그래밍의 완화와 교대 최적화를 활용하여, 제안된 중심집중형 및 분산형 알고리즘이 near-optimal 성능을 달성하며, 특히 저SNR 또는 비선시각(LoS) 환경에서 스펙트럼 효율성과 커버리지가 크게 향상된다. 이는 수동적이고 저비용인 IRS를 통해 간섭을 통한 신호의 간섭을 통해 $N^2$ beamforming 이득을 실현한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned to have abundant applications in future wireless networks by smartly reconfiguring the signal propagation for performance enhancement. Specifically, an IRS consists of a large number of low-cost passive elements each reflecting the incident signal with a certain phase shift to collaboratively achieve beamforming and suppress interference at one or more designated receivers. In this paper, we study an IRS-enhanced point-to-point multiple-input single-output (MISO) wireless system where one IRS is deployed to assist in the communication from a multi-antenna access point (AP) to a single-antenna user. As a result, the user simultaneously receives the signal sent directly from the AP as well as that reflected by the IRS. We aim to maximize the total received signal power at the user by jointly optimizing the (active) transmit beamforming at the AP and (passive) reflect beamforming by the phase shifters at the IRS. We first propose a centralized algorithm based on the technique of semidefinite relaxation (SDR) by assuming the global channel state information (CSI) available at the IRS. Since the centralized implementation requires excessive channel estimation and signal exchange overheads, we further propose a low-complexity distributed algorithm where the AP and IRS independently adjust the transmit beamforming and the phase shifts in an alternating manner until the convergence is reached. Simulation results show that significant performance gains can be achieved by the proposed algorithms as compared to benchmark schemes. Moreover, it is verified that the IRS is able to drastically enhance the link quality and/or coverage over the conventional setup without the IRS.

연구 동기 및 목표

• 활성 릴레이 또는 밀도 높은 소셀을 대체할 녹색 대안으로 저비용 수동 IRS를 도입함으로써 5G 및 그 이상의 무선 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 에너지 소비 문제를 해결한다.
• 고정된 위상 이득을 가진 전통적인 반사 표면의 한계를 극복하기 위해, 지능형 반사 표면을 통해 실시간으로 재구성 가능한 beamforming을 가능하게 한다.
• 직접 및 반사 링크를 고려하여, 단일 안테나 사용자에서의 수신 신호 전력 최대화를 위해 AP의 전송 beamforming과 IRS의 수동 위상 이득을 공동으로 최적화한다.
• 전체 채널 상태 정보( CSI ) 교환 없이도 AP와 IRS 간의 분산 최적화를 가능하게 하는 실용적이고 저복잡도의 알고리즘을 설계한다.
• IRS가 없는 전통적 설정 대비 IRS 도입 시 SNR 향상과 커버리지 확장 측면에서 성능 향상을 입증한다.

제안 방법

• 직접 및 반사 링크를 모두 고려하여 사용자에서 수신되는 신호 전력 최대화를 위한 공동 활성 및 수동 beamforming 최적화 문제를 수립한다.
• 전체 채널 상태 정보( CSI ) 가정 하에 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 준정적 프로그래밍(SDR)을 활용한 중심집중형 알고리즘을 제안한다.
• 신호 교환 오버헤드를 줄이기 위해, 수렴할 때까지 AP의 전송 beamforming과 IRS의 위상 이득을 번갈아 최적화하는 저복잡도 분산 알고리즘을 설계한다.
• 교대 최적화 기법을 활용하여 공동 문제를 AP 및 IRS 구성 요소에 대한 다룰 수 있는 부분 문제로 분리한다.
• 기준선 및 성능 비교를 위해 AP와 IRS 모두에서 최대 비율 전송(MRT) beamforming 전략을 적용한다.
• 반사 요소 수 $N$ 에서 기인하는 어레이 이득($N$)과 일관된 위상 정렬에 의한 수동 beamforming 이득($N$)을 활용하여 총 $N^2$ beamforming 이득을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AP 및 IRS에서의 공동 활성 및 수동 beamforming이 MISO 시스템에서 수신 신호 전력과 스펙트럼 효율성에 상당한 향상을 이끌 수 있는가?
• RQ2 IRS가 강화된 시스템의 성능은 IRS가 없는 전통적 설정 대비 SNR 향상과 커버리지 확장 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 반사 요소 수 $N$ 이 달성 가능한 SNR에 미치는 영향은 무엇이며, 이론적으로 예측된 바와 같이 $N^2$ 비율로 증가하는가?
• RQ4 분산 알고리즘이 전역 CSI가 IRS에 필요 없이 최소한의 신호 교환 오버헤드로 near-optimal 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 사용자 위치가 AP 및 IRS와의 거리 관계에서 AP-MRT 대비 IRS-MRT와 같은 다양한 beamforming 전략의 성능에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 공동 beamforming 설계는 반사 요소 수에서 기인하는 어레이 이득($N$)과 일관된 위상 정렬에 의한 수동 beamforming 이득($N$)의 조합으로 총 $N^2$ beamforming 이득을 달성한다.
• N=30일 경우 사용자는 18 dB의 SNR를 확보하며, N=60으로 증가하면 24 dB로 상승하여 반사 요소 수를 두 배로 늘임으로써 6 dB의 이득을 얻는다.
• IRS는 네트워크 커버리지를 확장한다: 목표 SNR 8 dB일 경우, IRS 없이 약 33 m에서 IRS가 있는 경우 약 50 m로 커버리지가 증가하여 상당한 커버리지 확장 효과를 보인다.
• 분산 알고리즘이 신속하게 수렴하며 near-optimal 성능을 달성하여, 낮은 신호 교환 오버헤드로 인해 실용적 구현에 적합하다.
• 사용자가 IRS에 가까울 경우 AP-IRS MRT 방식이 가장 우수한 성능를 보이며, 사용자가 AP에 가까울 경우 AP-MRT 방식이 최적임을 확인하여 동적 공동 최적화의 필요성을 입증한다.
• 사용자가 AP나 IRS에 가까운 위치에 있지 않을 경우(예: d=43 m), IRS에서 신호 전력이 떨어지므로 $N^2$ 이득을 달성하기 어려워지며, beamforming 설계에서의 상충 관계가 드러난다.