IRS를 활용한 다중 사용자 통신: 송신 다이버시티와 능동/수동 전처리의 공동 설계

核心概念

IRS를 활용하여 고속 이동 사용자에게 송신 다이버시티를 제공하고 저속 이동 사용자에게 능동/수동 전처리를 적용함으로써 전체 송신 전력을 최소화하는 방법을 제안한다.

摘要

이 논문은 IRS(Intelligent Reflecting Surface)를 활용한 다중 사용자 하향링크 통신 시스템을 제안한다. 이 시스템은 IRS와 다중 안테나 기지국(BS)을 통합하여 고속 이동 사용자와 저속 이동 사용자를 동시에 서비스한다.

고속 이동 사용자의 경우, IRS의 공통 위상 천이를 활용하여 송신 다이버시티를 제공한다. 이를 통해 채널 상태 정보(CSI)가 필요 없이 고속 이동 사용자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

저속 이동 사용자의 경우, IRS의 수동 전처리와 BS의 능동 전처리를 결합하여 서비스한다. 특히, IRS의 공통 위상 천이가 저속 이동 사용자의 수동 전처리 이득에 영향을 미치지 않는다는 특성을 활용한다.

이러한 송신 다이버시티와 능동/수동 전처리의 공동 설계를 통해 전체 송신 전력을 최소화하는 최적화 문제를 제시하고, 이를 효과적으로 해결하는 알고리즘을 제안한다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안 기법의 우수한 성능을 검증한다.

統計資料

BS와 IRS 간 채널 행렬 R은 복잡한 무선 전파 환경을 반영한다.
고속 이동 사용자 k의 BS-사용자 채널 hk와 IRS-사용자 채널 gk는 레일리 페이딩 모델을 따른다.
저속 이동 사용자 l의 BS-사용자 채널 hl과 IRS-사용자 채널 gl은 임의의 채널 모델을 따른다.

引述

"IRS는 동적으로 수많은 반사 요소를 조정하여 무선 전파 환경을 능동적으로 변화시킬 수 있는 기술이다."
"기존 연구에서는 완전히 알려진 채널 상태 정보(CSI)를 바탕으로 IRS의 능동 및 수동 전처리를 공동 설계하였다. 그러나 지연에 민감하거나 고속 이동 통신 환경에서는 CSI 없이도 IRS를 활용하여 통신 신뢰성을 높일 수 있는 방법이 필요하다."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Intelligent Reflecting Surface-Aided Multiuser Communication: Co-design of Transmit Diversity and Active/Passive Precoding

by Beixiong Zhe... 於 arxiv.org 09-24-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.14088.pdf

深入探究

IRS의 공통 위상 천이를 활용하여 송신 다이버시티를 달성하는 방법을 다른 통신 시스템에 적용할 수 있을까?

IRS(지능형 반사 표면)의 공통 위상 천이를 활용하여 송신 다이버시티를 달성하는 방법은 다른 통신 시스템에도 적용 가능하다. 이 방법은 IRS의 모든 반사 요소가 공유하는 공통 위상 천이를 동적으로 조정함으로써, 고속 이동 사용자에게 송신 다이버시티를 제공하는 방식이다. 이러한 접근 방식은 특히 다중 사용자 환경에서 유용하며, 다양한 통신 시스템에서의 채널 상태 정보(CSI) 부족 문제를 해결할 수 있다. 예를 들어, IoT(사물인터넷) 네트워크나 차량 간 통신(V2X) 시스템에서도 IRS를 활용하여 송신 다이버시티를 구현할 수 있으며, 이는 시스템의 신뢰성과 데이터 전송 효율성을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서, IRS의 공통 위상 천이를 활용한 송신 다이버시티 기법은 다양한 통신 환경에 적응할 수 있는 유연성을 제공한다.

고속 이동 사용자와 저속 이동 사용자의 채널 상태 정보를 동시에 획득하는 효율적인 방법은 무엇일까?

고속 이동 사용자와 저속 이동 사용자의 채널 상태 정보를 동시에 획득하기 위한 효율적인 방법은 다중 경로 채널 추정 기법을 활용하는 것이다. 이 기법은 각 사용자 그룹의 이동 속도에 따라 적절한 채널 추정 주기를 설정하여, 고속 이동 사용자에게는 짧은 주기로, 저속 이동 사용자에게는 상대적으로 긴 주기로 채널 상태 정보를 수집할 수 있다. 또한, IRS를 활용하여 반사 경로를 최적화함으로써, 고속 이동 사용자의 채널 변동성을 줄이고, 저속 이동 사용자에게는 안정적인 채널 상태 정보를 제공할 수 있다. 이러한 방식은 채널 추정의 정확성을 높이고, 전체 시스템의 성능을 향상시키는 데 기여할 수 있다. 또한, 머신러닝 기법을 통해 실시간으로 채널 상태 정보를 분석하고 예측함으로써, 두 사용자 그룹의 채널 상태 정보를 동시에 효과적으로 관리할 수 있다.

IRS의 능동/수동 전처리와 송신 다이버시티를 결합하는 방식을 5G/6G 네트워크에 어떻게 적용할 수 있을까?

IRS의 능동/수동 전처리와 송신 다이버시티를 결합하는 방식은 5G 및 6G 네트워크에서 매우 중요한 역할을 할 수 있다. 이러한 결합 방식은 고속 이동 사용자와 저속 이동 사용자의 요구를 동시에 충족시키는 데 유용하다. 5G/6G 네트워크에서는 다양한 사용자 요구와 서비스 품질(QoS) 요구 사항을 충족하기 위해, IRS를 통합한 다중 안테나 기지국(BS) 아키텍처를 활용할 수 있다. 이 아키텍처에서는 BS가 능동적으로 송신 전처리를 수행하고, IRS가 수동적으로 신호를 반사하여 송신 다이버시티를 제공한다. 이를 통해, 고속 이동 사용자에게는 CSI 없이도 송신 다이버시티를 제공하고, 저속 이동 사용자에게는 CSI를 기반으로 한 능동/수동 전처리를 통해 신호 품질을 극대화할 수 있다. 이러한 방식은 5G/6G 네트워크의 에너지 효율성을 높이고, 전체 시스템의 성능을 향상시키는 데 기여할 수 있다. 또한, 이러한 기술은 밀리미터파 및 테라헤르츠 주파수 대역에서의 통신 성능을 극대화하는 데도 중요한 역할을 할 것이다.