A way to solve the explosively increasing demand for wireless data traffic is to utilize large bandwidth of highfrequency bands. However, to exploit high-frequency channels such as millimeter wave and terahertz wave bands, high-path loss must be overcome and a large number of multiple antennas must be used, which greatly increases implementation cost, power consumption, and hardware complexity. In particular, the high-frequency channel cannot utilize the rich scattering of the existing microwave bands, and the channel correlation is high, so it becomes a line-of-sight (LOS) channel environment. That is, as it becomes a rank-deficient channel, the spatial multiplexing gain cannot be utilized, thereby limiting the performance of the system. To overcome these problems, intelligent reflecting surfaces (IRS) has been introduced into wireless mobile communication systems. The IRS is a promising technology that can control the incident beam from the transmitting end to improve the performance of the receiving end. In addition, the IRS is cost-effective as it consist of a large number of passive elements that do not require amplification and regeneration.
Through this, the IRS can achieve significant performance improvement by increasing the rank of the channel matrix in the high frequency channel environment. In this paper, the IRS beamforming system that supports multi-antenna systems in the LOS environment, which is a rank-deficient channel, is dealt with. To increase the rank of the channel matrix, we propose optimal reflection coefficient design methods for the system with multiple IRSs deployed and analyze that’s performance. Furthermore, we provide the method of joint designing with the IRS by incorporating analog-digital hybrid beamforming technology that can reduce the number of expensive radio frequency chains. Additionally, we provide insight into optimal deployment that can improve performance when designing IRS-assisted systems in real world.
폭발적으로 증가하는 무선 데이터 트래픽 소요를 해결하기 위한 방안은 광대역의 고주파수 자원을 활용하는 것이다. 그러나 밀리미터파 및 테라헤르츠파 역과 같은 고주파 채널을 이용 하려면 높은 경로 손실을 극복해야 하며 대량의 다중 안테나를 활용해야 하므로 구현 비용과 전력 소모량 및 하드웨어 복잡 가 매우 증가한다. 특히 고주파 채널은 기존 마이크로파 대역의 풍부한 산란을 활용할 수 없고 채널의 상관성이 높으므로 가시선 채널 환경이 된다. 즉, 랭크 부족 채널이 됨에 따라 공간 다중화 이득을 활용할 수 없어 시스템의 성능이 제한된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 지능형 반사 표면을 무선 이동통신 시스템에 도입하게 되었다. 지능형 반사 표면은 송신단으로부터 입사된 빔을 제어하여 수신단의 성능이 향상되도록 할 수 있는 유망한 기술이다.
뿐만 아니라, 지능형 반사 표면은 증폭 및 재생성이 필요없는 많은 수의 수동 소자들로 구성되므로 비용 효율적이다. 이를 통해, 지능형 반사 표면은 고주파 채널 환경에서 채널 행렬의 랭크를 증가시킴으로써 상당한 성능 향상을 달성할 수 있다. 이 논문에서는 채널 랭크가 부족한 가시선 환경하에서 다중 안테나 시스템을 지원하는 지능형 반사 표면의 빔포밍 시스템을 다룬다. 채널 행렬의 랭크를 증가시키기 위해 다중 지능형 반사 표면이 배포된 시스템의 최적 반사 계수 설계 방법을 제안하고 성능을 분석한다. 또한, 고비용의 무선 주파수 부품수를 줄일 수 있는 아날로그-디지털 하이브리드 빔포밍 기술을 접목하여 지능형 반사 표면과 공동 설계하는 방법을 제공한다. 추가적으로, 지능형 반사 표면 설계시 성능을 향상 시킬 수 있는 최적 배치에 대한 통찰을 제공한다.
