[논문 리뷰] Sum Rate Maximization for Intelligent Reflecting Surface Assisted Terahertz Communications

Yijin Pan, Kezhi Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 개별 유저의 데이터율 제약 조건 하에 총 데이터율을 최대화하기 위해 지능형 반사면(ISR)을 활용한 테라헤르츠(THz) 통신을 위한 공동 최적화 프레임워크를 제안한다. IRS 위치, 위상 이득, 서브밴드 할당 및 전력 제어를 공동으로 최적화함으로써 저자들은 블록 좌표 탐색(BCS) 알고리즘을 개발하였으며, 이는 시스템 성능을 크게 향상시킨다. 단일 사용자 환경에서는 전역 최적성의 수학적 증명이 이뤄졌고, 시뮬레이션 결과 기존 기준 대비 뛰어난 성능 향상을 보였다.

ABSTRACT

In this paper, an intelligent reflecting surface (IRS) is deployed to assist the terahertz (THz) communications. The molecular absorption causes path loss peaks to appear in the THz frequency band, and the fading peak is greatly affected by the transmission distance. In this paper, we aim to maximize the sum rate with individual rate constraints, in which the IRS location, IRS phase shift, the allocation of sub-bands of the THz spectrum, and power control for UEs are jointly optimized. For the special case of a single user equipment (UE) with a single sub-band, the globally optimal solution is provided. For the general case with multiple UEs, the block coordinate searching (BCS) based algorithm is proposed to solve the non-convex problem. Simulation results show that the proposed scheme can significantly enhance system performance.

연구 동기 및 목표

• 분자 흡수와 차단으로 인한 심한 경로 손실과 거리에 따라 변하는 감쇠 현상으로 인해 발생하는 THz 대역의 도전 과제를 해결하기 위해.
• IRS 도입, 위상 이득, 서브밴드 할당 및 전력 제어를 공동으로 최적화하여 IRS 보조 THz 시스템의 총 데이터율을 극대화하기 위해.
• THz 대역 고유의 주파수 및 거리 의존성에 기반한 서브밴드 특성을 시스템 설계에 반영하기 위해.
• 비볼록성과 계산 복잡성이 높은 다중 사용자 환경에서 확장 가능한 알고리즘 개발을 위해.
• 실제 실내 THz 통신 환경에서 제안된 기법의 성능 향상을 기존 기준 알고리즘과 비교하여 검증하기 위해.

제안 방법

• 개별 사용자 데이터율 제약 조건을 포함한 비볼록 최적화 문제를 수립하여 총 데이터율을 극대화하고, IRS 위치, 위상 이득, 서브밴드 할당 및 전력 제어를 포함한다.
• 블록 좌표 탐색(BCS) 알고리즘을 제안하여 IRS 위치, 위상 이득, 서브밴드 할당 및 전력 제어를 체계적으로 반복적으로 최적화한다.
• 단일 사용자, 단일 서브밴드 케이스에서 하향 경사 하강법(서브-그래디언트 디센트, SGD)을 사용하여 전역 최적해를 유도하고 모순에 의한 증명을 제시한다.
• THz 채널을 주파수 및 거리 의존성에 기반한 서브밴드 집합으로 모델링하며, 전파 손실은 확산 손실과 분자 흡수의 영향을 받는다.
• 과거 사용자 이동 및 실내 구조 데이터를 통합하여 사용자 단말(UE) 위치를 예측하고 최적의 IRS 배치를 유도한다.
• 각 변수 그룹을 고정된 다른 변수들을 기반으로 순차적으로 업데이트하는 최적화 전략을 적용하여 수렴 가능한 고품질의 해를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 위치, 위상 이득, 서브밴드 할당 및 전력 제어의 공동 최적화가 IRS 보조 THz 시스템의 총 데이터율에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 다중 사용자 THz 환경에서 제안된 BCS 알고리즘이 무작위 또는 히وري스틱 대안 대비 성능 향상은 얼마나 되는가?
• RQ3 분자 흡수와 전송 거리가 동시에 영향을 미치는 경로 손실 피크가 THz 대역의 서브밴드 선택 및 시스템 설계에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 단일 사용자, 단일 서브밴드 케이스에서 전역 최적해를 달성할 수 있으며, 그 이론적 근거는 무엇인가?
• RQ5 시스템 총 데이터율 성능에 있어 IRS 위상 이득과 IRS 위치 중 어느 것이 더 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 BCS 알고리즘은 모든 테스트 환경에서 가장 높은 총 데이터율을 달성하였으며, 'RanLoc', 'RanPhi', 'MiniDis' 기준 대비 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• UE 수가 증가할수록 개별 데이터율 제약 조건으로 인해 총 데이터율이 감소하지만, BCS 알고리즘은 모든 구성에서 뛰어난 성능 유지를 보였다.
• IRS 위상 이득이 IRS 위치보다 총 데이터율에 略적으로 더 큰 영향을 미치며, 'RanPhi'와 'RanLoc' 간의 성능 격차로 이를 확인할 수 있었다.
• 'MiniDis' 기법은 위치와 위상 이득을 모두 최적화하므로 'RanLoc'과 'RanPhi'보다 뛰어난 성능을 보였으며, 공동 최적화의 유용성을 확인시켰다.
• 단일 사용자, 단일 서브밴드 케이스에서는 모순에 의한 증명과 서브-그래디언트 디센트 수렴성에 기반해 전역 최적해가 증명되었다.
• 제안된 프레임워크는 주파수 및 거리 의존성에 기반한 지능적인 서브밴드 할당을 통해 THz 대역의 경로 손실 피크를 효과적으로 완화한다.