[논문 리뷰] Uplink Achievable Rate of Intelligent Reflecting Surface-Aided Millimeter-Wave Communications with Low-Resolution ADC and Phase Noise

Kangda Zhi, Cunhua Pan외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 20인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 기지국의 저해상도 ADC와 IRS 반사 요소의 위상 노이즈를 포함한 복합 하드웨어 결함을 고려한 지능형 반사 표면(IID) 지원 밀리미터파 시스템의 업링크 가능 수률을 유도한다. 수많은 IRS 요소이면 시스템 성능이 오직 ADC 해상도에 의해 제한되며, 이상적인 ADC를 사용할 경우 위상 노이즈는 일정한 수준의 수률 손실만 유발함을 보여, 저해상도 수신기와 함께 저정밀도 IRS 구현이 실용 가능함을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we derive the uplink achievable rate expression of intelligent reflecting surface (IRS)-aided millimeter-wave (mmWave) systems, taking into account the phase noise at IRS and the quantization error at base stations (BSs). We show that the performance is limited only by the resolution of analog-digital converters (ADCs) at BSs when the number of IRS reflectors grows without bound. On the other hand, if BSs have ideal ADCs, the performance loss caused by IRS phase noise is a constant. Finally, our results validate the feasibility of using low-precision hardware at the IRS when BSs are equipped with low-resolution ADCs.

연구 동기 및 목표

• 저해상도 ADC와 IRS 위상 노이즈가 mmWave 시스템의 업링크 가능 수률에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 복합 하드웨어 결함 하에서 가능 수률에 대한 닫힌 형태의 수식을 도출하기 위해.
• IRS 반사 요소 수가 증가함에 따라 시스템의 점점 더 큰 행동을 특성화하기 위해.
• IRS 및 기지국에서 저정밀도 하드웨어 사용의 실현 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 저해상도 ADC와 위상 노이즈를 고려한 IRS 보조 mmWave 시스템의 업링크 가능 수률에 대한 닫힌 형태 수식을 유도한다.
• 유한한 해상도 $ B $ 내에서 균일하게 분포된 양자화된 위상 이동을 모델링하여 위상 노이즈를 도입한다.
• 강한 대수의 법칙을 적용하여 $ N \to \infty $ 일 때 효과적 채널 이득의 점근적 행동을 분석한다.
• 배열 이득에 대한 양자화된 위상의 영향을 사인 함수 근사치를 사용해 모델링한다.
• 다양한 하드웨어 제약 조건 하에서 가능 수률의 점근적 표현을 유도한다.
• 주어진 해상도 제약 조건 하에서 성능 손실 임계값을 분석함으로써 이론적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국의 저해상도 ADC는 IRS 보조 mmWave 업링크 시스템의 가능 수률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 유한한 해상도의 위상 이동으로 인한 IRS 위상 노이즈는 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 IRS 요소 수가 증가함에 따라 성능 한계가 위상 노이즈에서 ADC 해상도로 이동하는가?
• RQ4 기지국이 저해상도 ADC를 사용할 경우 저정밀도 IRS 요소를 실용적으로 구현할 수 있는가?
• RQ5 주어진 수률 손실 임계값을 충족하기 위해 필요한 IRS 위상 이동의 최소 해상도 $ B $와 ADC의 해상도 $ \gamma $는 무엇인가?

주요 결과

• IRS 반사 요소 수 $ N \to \infty $ 일 때, 가능 수률은 기지국의 ADC 해상도에 의해 오직 제한된다.
• 이상적인(무한해상도) ADC를 사용할 경우, IRS 위상 노이즈로 인한 성능 손실은 $ N $과 관계없이 일정하게 유지되며, 이는 위상 양자화로 인한 근본적인 한계를 시사한다.
• 가능 수률 수식은 점점 $ \log_2\left(1 + \frac{\gamma P |\alpha\beta|^2 N^2 M}{\gamma + (1 - \gamma)(1 + P|\alpha\beta|^2 N^2)}\right) $ 로 수렴하며, 여기서 $ \gamma $ 는 ADC 해상도이다.
• 위상 노이즈는 사인 함수 $ \text{sinc}(\pi / 2^B) $ 를 통해 배열 이득을 감소시키며, 이는 위상 양자화로 인한 효과적 채널 이득 손실을 정량화한다.
• 주어진 수률 손실 임계값 $ \delta $ 에 대해, $ \text{sinc}(\pi / 2^B) $ 와 신호 대 잡음비(SNR) 수식을 포함하는 부등식을 통해 IRS의 필요 해상도 $ B $ 와 ADC의 해상도 $ \gamma $ 를 유도할 수 있다.
• 위상 노이즈로 인한 수률 손실은 유한하며 $ N $ 과 함께 증가하지 않으며, 이는 저해상도 IRS를 저해상도 ADC와 함께 사용하는 것이 실용 가능함을 시사한다.