KR20230017641A - Multi-user MISO communication system and method for designing phase transformation matrix of intelligent reflective surface applied thereto - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다중 사용자 다중 입력 단일 출력(MU-MISO) 통신 시스템에서 주파수 스펙트럼 효율을 최대화 하기 위한 지능형 반사 표면(Intelligent reflecting surface)의 위상 변환 행렬 설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a phase shift matrix design method of an intelligent reflecting surface for maximizing frequency spectral efficiency in a multi-user multiple input single output (MU-MISO) communication system.
이동통신의 세대가 진화함에 따라 높은 데이터 속도에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 높은 데이터 속도를 충족시키기 위해서는 다수의 배열 안테나를 사용하는 것이 필수적이며, 이는 고 주파수 대역을 이용하여 데이터를 전송하는 밀리미터파(mmWave) 기술로 달성할 수 있다. 하지만, 다수의 안테나를 사용함에 따라 높은 전력 소비를 요하는 RF(Radio Frequency) 체인을 다수 필요로 하기 때문에, 높은 전력 소모를 야기하게 된다. 또한, 고 대역의 주파수를 사용할수록 경로 손실과 장애물에 따른 신호의 감쇠가 크게 발생하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 통신 커버리지를 확대하기 위하여 송수신기 사이에 중계기를 배치하는 중계기 통신 기법을 사용할 수 있다. 하지만, 중계기에서도 송수신 모듈이 사용되기 때문에, 이 역시 전력 효율이 떨어지는 문제가 있다. As the generation of mobile communication evolves, the demand for high data rates continues to increase. In order to meet such a high data rate, it is essential to use a plurality of array antennas, which can be achieved with mmWave technology that transmits data using a high frequency band. However, since a plurality of radio frequency (RF) chains requiring high power consumption are required according to the use of a plurality of antennas, high power consumption is caused. In addition, there is a problem in that signal attenuation due to path loss and obstacles increases as a higher frequency band is used. In order to solve this problem, a repeater communication technique may be used in which a repeater is placed between a transceiver to expand communication coverage. However, since the transmit/receive module is also used in the repeater, this also has a problem of low power efficiency.
이와 같은 고 대역의 주파수를 사용함에 따라 발생하는 문제들을 다루기 위하여, 최근 지능형 반사 표면(Intelligent reflecting surface, IRS)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 지능형 반사 표면(IRS)이란 메타 물질로 이루어진 다수의 수동 반사 소자들을 장착하고 있는 표면으로서, 각 반사 소자는 컨트롤러의 제어를 통해 들어오는 입력 신호의 위상 편이를 조절하여 반사할 수 있다. In order to deal with problems arising from the use of such high-band frequencies, research on an intelligent reflecting surface (IRS) has recently been actively conducted. An intelligent reflective surface (IRS) is a surface on which a plurality of passive reflective elements made of metamaterials are mounted, and each reflective element can adjust the phase shift of an incoming input signal through the control of a controller and reflect it.
이러한 지능형 반사 표면(IRS)의 경우, 기존의 중계기와 달리 별도의 송수신 모듈을 필요로 하지 않고, 단순히 들어오는 입력 신호에 대한 반사를 수행하기 때문에, 기존 중계기 통신 기법에 비해 높은 전력 효율을 확보할 수 있는 장점이 있다. 또한, 지능형 반사 표면(IRS)은 송수신기 사이의 직접적인 경로가 장애물에 의해 차단된 경우 등과 같은 채널 환경이 좋지 않은 경우에도 효과적인 통신을 위하여 사용될 수 있다. In the case of such an intelligent reflective surface (IRS), unlike conventional repeaters, it does not require a separate transmit/receive module and simply reflects incoming input signals, so it can secure higher power efficiency than conventional repeater communication techniques. There are advantages to being In addition, the intelligent reflective surface (IRS) can be used for effective communication even when the channel environment is not good, such as when a direct path between the transceiver is blocked by an obstacle.
따라서, 지능형 반사 표면(IRS)을 활용하는 통신 시스템에서 채널 정보에 따른 반사 소자의 효율적인 위상 설계 기법에 대한 연구가 필요하다. Therefore, it is necessary to study an efficient phase design technique of a reflective element according to channel information in a communication system using an intelligent reflective surface (IRS).
(특허문헌 1) KR 10-2192234 B1 (Patent Document 1) KR 10-2192234 B1
본 발명은 지능형 반사 표면을 활용하는 시스템에서 주파수 스펙트럼 및 전력 효율을 향상시킬 수 있는 지능형 반사 표면(IRS)의 위상 설계 기법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a phase design technique of an intelligent reflective surface (IRS) capable of improving frequency spectrum and power efficiency in a system utilizing an intelligent reflective surface.
본 발명에 따른 
보다 구체적으로, 상기 최적의 위상 변환 행렬 획득 단계는, 상기 도출된 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 지능형 반사 표면을 경유하는 기지국과 사용자 단말들 사이의 채널 행렬들의 합에 대한 특이 값 분해를 통해 획득되는 가장 큰 특이 값에 해당하는 특이 벡터를 이용하여, 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 획득하는 제1 기법 수행 단계; 상기 도출된 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 생성하고, 상기 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간 오차가 소정의 수렴 조건을 충족하도록 생성된 위상 변환 행렬을 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬로 획득하는 제2 기법 수행 단계; 지능형 반사 표면과 
여기서, 상기 생성된 주파수 스펙트럼 효율식은 다음의 [수학식 1]에 따르며, 상기 [수학식 1]으로부터 도출되는 송신 전력 변환식은, 다음의 [수학식 2]에 따르는 것을 특징으로 한다.Here, the generated frequency spectrum efficiency equation follows [Equation 1], and the transmission power conversion equation derived from [Equation 1] follows [Equation 2].
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 제약 1은 기지국의 송신 전력 제약을 의미하며, 제약 2는 지능형 반사 표면이 위상만을 조절할 수 있기 때문에 발생하는 단위 진폭의 제약을 의미한다. 또한, 
[수학식 2][Equation 2]
여기서, 
한편, 상기 제1 기법 수행 단계는, 상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식을 근사화하는 근사화 단계; 상기 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하는 변형 단계; 상기 변형된 송신 전력 변환식에서 지능형 반사 표면을 경유하는 기지국과 사용자 단말들 사이의 채널 행렬들의 합에 대한 특이 값 분해를 통해 획득되는 가장 큰 특이 값에 해당하는 특이 벡터를 이용하여, 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 생성하는 최적의 위상 변환 행렬 생성 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the performing of the first technique may include an approximation step of approximating the transmission power conversion equation of [Equation 2]; a transformation step of transforming the approximated transmission power conversion equation into one that maximizes the transmission power of the base station; In the modified transmit power conversion equation, using the singular vector corresponding to the largest singular value obtained through singular value decomposition of the sum of channel matrices between the base station and user terminals via the intelligent reflective surface, An optimal phase transformation matrix generation step of generating an optimal phase transformation matrix; It is characterized in that it is configured to include.
한편, 상기 제2 기법 수행 단계는, 상기 [수학식 2] 의 송신 전력 변환식을 근사화하는 근사화 단계; 상기 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하는 변형 단계; 상기 변형된 송신 전력 변환식을 최대화하도록 하는 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 생성하는 위상 변환 행렬 생성 단계; 상기 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간의 오차를 산출하고, 상기 산출된 오차가 소정의 오차 범위 내에 포함되는지에 따라 상기 생성된 위상 변환 행렬이 수렴조건을 충족하는지의 여부를 판단하는 수렴조건 충족여부 판단 단계; 상기 수렴조건 충족여부 판단 단계를 통해 비교 위상 변환 행렬과의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하는 것으로 생성된 위상 변환 행렬을, 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬로 결정하는 최적의 위상 변환 행렬 결정 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the step of performing the second technique may include an approximation step of approximating the transmission power conversion equation of [Equation 2]; a transformation step of transforming the approximated transmission power conversion equation into one that maximizes the transmission power of the base station; a phase transformation matrix generation step of generating a phase transformation matrix of an intelligent reflective surface that maximizes the transformed transmit power transformation equation; A convergence condition for calculating an error between the generated phase transformation matrix and the comparison phase transformation matrix, and determining whether or not the generated phase transformation matrix satisfies a convergence condition according to whether the calculated error is within a predetermined error range. Satisfaction determination step; Optimal phase transformation matrix determination step of determining, as the optimal phase transformation matrix of the intelligent reflective surface, a phase transformation matrix generated through the step of determining whether the convergence condition is satisfied or not, wherein the error with the comparison phase transformation matrix is within a predetermined error range ; It is characterized in that it is configured to include.
여기서, 상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식을 근사화하는 단계는, 다음의 [수학식 3]에 따르는 것을 특징으로 한다.Here, the step of approximating the transmission power conversion equation of [Equation 2] is characterized by following [Equation 3].
[수학식 3][Equation 3]
여기서, (a)는 정부호 행렬의 부등식 성질을 활용하여 하한의 수식으로 근사화 하는 과정을 의미한다.Here, (a) means the process of approximating with the lower limit formula by utilizing the inequality property of the definite matrix.
또한, 상기 [수학식 3]에 따르는 근사화 된 송신 전력 변환식을 변형하는 단계는, 다음의 [수학식 4]에 따르는 것을 특징으로 한다.In addition, the step of transforming the approximated transmit power conversion equation according to [Equation 3] is characterized in that it follows [Equation 4].
[수학식 4] [Equation 4]
여기서, 
한편, 상기 제1 기법 수행 단계의 최적의 위상 변환 행렬 생성 단계에서, 상기 [수학식 4]에 따라 변형된 송신 전력 변환식을 기반으로 특이 값 분해를 통해 생성되는 최적의 위상 변환 행렬은, 다음의 [수학식 5]에 따라 산출되는 위상 변환 벡터
[수학식 5][Equation 5]
한편, 상기 제2 기법 수행 단계의 위상 변환 행렬 생성 단계에서, 상기 생성되는 위상 변환 행렬은, 다음의 [수학식 6]에 따르는 위상 변환 벡터 
[수학식 6][Equation 6]
여기서, i는 반복 횟수를 의미하고, 
한편, 상기 수렴조건 충족여부 판단 단계는, 상기 위상 변환 행렬 생성 단계에서 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간의 오차를 산출하는 오차 산출 단계; 상기 산출된 두 행렬 간의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하는지를 비교하는 비교 단계; 상기 비교 결과, 상기 산출된 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하지 않으면, 상기 비교 변환 위상 변환 행렬을 상기 생성된 위상 변환 행렬로 갱신하는 비교 위상 변환 행렬 갱신 단계; 상기 비교 위상 변환 행렬 갱신 단계 후, 상기 위상 변환 행렬 생성 단계로 회귀하는 회귀 단계; 를 포함하여 구성되며, 상기 회귀 단계 후, 생성되는 위상 변환 행렬이 비교 변환 행렬과의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속할 때까지 상기 위상 변환 행렬 생성 단계 내지 수렴조건 충족여부 판단 단계를 반복 수행하는 것; 을 특징으로 한다.Meanwhile, the step of determining whether the convergence condition is satisfied may include an error calculation step of calculating an error between the phase transformation matrix generated in the phase transformation matrix generation step and the comparison phase transformation matrix; a comparison step of comparing whether the calculated error between the two matrices falls within a predetermined error range; a comparison phase transformation matrix updating step of updating the comparison transformation phase transformation matrix with the generated phase transformation matrix when the calculated error does not fall within a predetermined error range as a result of the comparison; a regression step of returning to the phase transformation matrix generation step after the comparison phase transformation matrix updating step; It is configured to include, and after the regression step, repeating the phase transformation matrix generation step to the convergence condition determination step until the error between the generated phase transformation matrix and the comparison transformation matrix falls within a predetermined error range. ; characterized by
한편, 상기 제3 기법 수행 단계는, 상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식에서 지능형 반사 표면과 
여기서, 상기 최적의 해 획득 단계에서 획득되는 결합 행렬 
[수학식 7][Equation 7]
여기서, 
한편, 상기 목적함수 설정 단계에서 설정되는 목적함수는, 다음의 [수학식 8]에 따르는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the objective function set in the objective function setting step is characterized in that it complies with the following [Equation 8].
[수학식 8][Equation 8]
여기서, 
한편, 상기 목적함수 변형 단계에서 변형되는 목적함수는, 다음의 [수학식 9]에 따르는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the objective function transformed in the objective function transformation step is characterized in that it follows [Equation 9] below.
[수학식 9][Equation 9]
한편, 상기 최적의 위상 변환 행렬 생성 단계에서, 상기 [수학식 9]과 같이 변형된 목적함수를 최대화하는 지능형 반사 표면의 각 반사 소자의 위상 변환 값을 산출하는 것은, 다음의 [수학식 10]에 따르는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, in the step of generating the optimal phase transformation matrix, calculating the phase transformation value of each reflective element of the intelligent reflective surface that maximizes the transformed objective function as shown in [Equation 9] is the following [Equation 10] It is characterized by following.
[수학식 10][Equation 10]
여기서, n = 1, 2, …, 
한편, 상기 수렴조건 충족여부 판단 단계에서, 초기 비교 위상 변환 행렬은, 각 위상 변환 행렬 값이 1로 구성된 행렬로 설정되는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, in the step of determining whether the convergence condition is satisfied, the initial comparison phase transformation matrix is characterized in that each phase transformation matrix value is set to a matrix composed of 1.
본 발명에 따른 
여기서, 상기 생성된 주파수 스펙트럼 효율식은 다음의 [수학식 1]에 따르며, 상기 [수학식 1]로부터 도출되는 송신 전력 변환식은, 다음의 [수학식 2]에 따르는 것을 특징으로 한다.Here, the generated frequency spectrum efficiency equation follows [Equation 1], and the transmission power conversion equation derived from [Equation 1] follows [Equation 2].
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 제약 1은 기지국의 송신 전력 제약을 의미하며, 제약 2는 지능형 반사 표면이 위상만을 조절할 수 있기 때문에 발생하는 단위 진폭의 제약을 의미한다. 또한, 
[수학식 2][Equation 2]
여기서, 
한편, 상기 제1 기법은, 상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 지능형 반사 표면을 경유하는 기지국과 사용자 단말들 사이의 채널 행렬들의 합에 대한 특이 값 분해를 통해 획득되는 가장 큰 특이 값에 해당하는 특이 벡터를 이용하여 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 획득하는 것; 을 특징으로 한다.On the other hand, the first technique transforms and approximates the transmission power conversion equation of [Equation 2], transforms the approximated transmission power conversion equation to maximize the transmission power of the base station, and based on this transforms the transmission power conversion equation through an intelligent reflective surface. obtaining an optimal phase transformation matrix of the intelligent reflective surface using a singular vector corresponding to the largest singular value obtained through singular value decomposition of the sum of channel matrices between the base station and user terminals; characterized by
한편, 상기 제2 기법은, 상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 생성하고, 상기 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간 오차가 소정의 수렴 조건을 충족하도록 생성된 위상 변환 행렬을 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬로 획득하는 것; 을 특징으로 한다.On the other hand, the second technique transforms and approximates the transmission power conversion equation of [Equation 2], transforms the approximated transmission power conversion equation into one that maximizes the transmission power of the base station, and based on this transforms the phase of the intelligent reflective surface. generating a matrix, and acquiring the generated phase transformation matrix as an optimal phase transformation matrix of the intelligent reflective surface such that an error between the generated phase transformation matrix and the comparison phase transformation matrix satisfies a predetermined convergence condition; characterized by
한편, 상기 제3 기법은, 지능형 반사 표면과 
한편, 상기 근사화 된 [수학식 2]의 송신 전력 변환식은, 다음의 [수학식 3]에 따르는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the approximate transmission power conversion equation of [Equation 2] is characterized by following [Equation 3].
[수학식 3][Equation 3]
여기서, (a)는 정부호 행렬의 부등식 성질을 활용하여 하한의 수식으로 근사화 하는 과정을 의미한다.Here, (a) means the process of approximating with the lower limit formula by utilizing the inequality property of the definite matrix.
또한, 상기 변형된 [수학식 3]의 송신 전력 변환식은, 다음의 [수학식 4]에 따르는 것을 특징으로 한다.In addition, the transmission power conversion equation of the modified [Equation 3] is characterized in that it complies with the following [Equation 4].
[수학식 4] [Equation 4]
여기서, 
한편, 상기 제1 기법은, 상기 [수학식 4]에 따르는 변형된 송신 전력 변환식을 기반으로 특이 값 분해를 통해 다음의 [수학식 5]에 따라 산출되는 위상 변환 벡터
[수학식 5][Equation 5]
한편, 상기 제2 기법은, 상기 [수학식 4]와 같이 변형된 송신 전력 변확식을 기반으로 다음의 [수학식 6]에 따르는 위상 변환 벡터 
[수학식 6][Equation 6]
여기서, i는 반복 횟수를 의미하고, 
한편, 상기 제2 기법에서, 초기 비교 위상 변환 행렬은 각 위상 변환 값이 1로 구성된 행렬로 설정되며, 그 이후에는 상기 소정의 수렴조건을 충족하지 않는 것으로 생성된 위상 변환 행렬로 갱신되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, in the second technique, the initial comparison phase transformation matrix is set to a matrix in which each phase transformation value is 1, and thereafter, it is characterized in that it is updated with a phase transformation matrix generated as not satisfying the predetermined convergence condition. to be
한편, 상기 제3 기법은, 다음의 [수학식 8]와 같이 설정된 목적함수를 [수학식 9]와 같이 변형하는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the third technique is characterized in that the objective function set as in [Equation 8] is modified as in [Equation 9].
[수학식 8][Equation 8]
여기서, 
[수학식 9][Equation 9]
한편, 상기 제3 기법은, 상기 [수학식 9]에 따르는 변형된 목적함수를 최대화하는 지능형 반사 표면의 각 반사 소자의 위상 변환 값을 다음의 [수학식 10]에 따라 산출하여 최적의 위상 변환 행렬을 획득하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the third technique calculates the phase conversion value of each reflective element of the intelligent reflective surface that maximizes the modified objective function according to [Equation 9] according to the following [Equation 10] to optimize the phase conversion. Characterized in obtaining a matrix.
[수학식 10][Equation 10]
여기서, n = 1, 2, …, 
본 발명에 따른 위상 설계 기법으로 지능형 반사 표면(IRS)의 각 반사 소자의 위상을 설계하여 사용함으로써, 극심한 경로 손실과 장애물로 인한 신호 감쇠로 송수신기 사이의 직접적인 전파 경로가 존재하지 않는 환경에서도 효과적인 통신이 가능하다.By designing and using the phase of each reflective element of the intelligent reflective surface (IRS) with the phase design technique according to the present invention, effective communication even in an environment where there is no direct propagation path between the transmitter and receiver due to signal attenuation due to extreme path loss and obstacles this is possible
또한, 통신 시스템의 주파수 스펙트럼 및 전력 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, it is possible to improve the frequency spectrum and power efficiency of the communication system.
도 1은 본 발명에 따른 지능형 반사 표면(IRS)이 적용된 다중 사용자 MISO 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 지능형 반사 표면(IRS)의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 기법 수행 단계의 세부 단계를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 기법 수행 단계의 세부 단계를 도시한 도면이다.
도 5는 제2 기법 설계 알고리즘을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 기법 수행 단계의 세부 단계를 도시한 도면이다.
도 7은 제3 기법 설계 알고리즘을 보여주는 도면이다.
도 8 내지 11은 본 발명에 따른 3가지 기법과 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 랜덤 값으로 구성한 랜덤 기법을 적용하여 나타나는 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.1 is a diagram showing the overall configuration of a multi-user MISO system to which an intelligent reflective surface (IRS) according to the present invention is applied.
2 is a diagram illustrating an optimal phase transformation matrix design method of an intelligent reflective surface (IRS) according to the present invention.
3 is a diagram showing detailed steps of the first technique implementation step of the present invention.
4 is a diagram showing detailed steps of the second technique execution step of the present invention.
5 is a diagram showing a second technique design algorithm.
6 is a diagram showing detailed steps of performing a third technique of the present invention.
7 is a diagram showing a third technique design algorithm.
8 to 11 are views showing simulation results obtained by applying the three techniques according to the present invention and the random technique in which the phase transformation matrix of the intelligent reflective surface is composed of random values.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1. 본 발명이 적용되는 환경1. Environment to which the present invention is applied
도 1은 지능형 반사 표면이 적용된 다중 사용자 MISO 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing the overall configuration of a multi-user MISO system to which an intelligent reflective surface is applied.
본 발명에서는, 도 1에 보이는 것과 같이 단일 안테나를 장착한 다수의 사용자 단말이 존재하는 환경에서 지능형 반사 표면을 활용하는 다중 사용자 MISO 통신 시스템을 고려한다. 이 때, 기지국과 사용자 단말 사이에 직접적인 전파 경로(L)는 장애물에 의해 차단되어 있고, 오직 지능형 반사 표면(IRS)을 경유하는 경로만 존재하는 것으로 가정한다. In the present invention, as shown in FIG. 1, a multi-user MISO communication system utilizing an intelligent reflective surface is considered in an environment where multiple user terminals equipped with a single antenna exist. At this time, it is assumed that a direct propagation path (L) between the base station and the user terminal is blocked by an obstacle, and only a path via the intelligent reflective surface (IRS) exists.
2. 본 발명에 따른 무선 통신 시스템2. Wireless communication system according to the present invention
본 발명의 무선 통신 시스템은, 앞서 설명한 도 1을 참조하면 기지국(100), 지능형 반사 표면(200), 사용자 단말(300)을 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1 described above, the wireless communication system of the present invention may include a
2.1. 기지국(100)2.1. base station (100)
기지국(100)은, 도면에는 도시되지 않았지만 
상기 기지국(100)은, 지능형 반사 표면(200)의 위상 변화율을 제어하는 제어부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.The
본 발명에 따른 제어부(미도시)는, 기지국(100)과 사용자 단말(300) 사이의 주파수 스펙트럼 효율을 최대화 할 수 있도록, 후술하는 알고리즘을 통해 획득되는 최적의 위상 변환 행렬을 지능형 반사 표면(200)에 적용하여 위상 변화율을 제어하는 형태로 구현될 수 있다. A controller (not shown) according to the present invention converts an optimal phase transformation matrix obtained through an algorithm described later to an intelligent
2.2. 지능형 반사 표면(200)2.2. Intelligent Reflective Surface (200)
지능형 반사 표면(200)은, 2차원으로 배열된 
이러한 지능형 반사 표면(200)은, 에를 들어 건물의 외벽에 배치되어 활용될 수 있다.Such an intelligent
2.3. 사용자 단말(300, UE 1 ~ UE K)2.3. User terminal (300,
앞서 설명한 것과 같이 본 발명은 다중 사용자 MISO 통신 시스템 환경을 고려하는 것으로서, 
이하에서는, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에 적용되는 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 지능형 반사 표면(200)의 최적의 위상 변환 행렬을 설계하는 방법에 대하여 설명한다. 후술하는 방법은, 앞서 설명한 것과 같이 기지국(100)의 제어부(미도시)에서 수행하도록 구성될 수 있으며, 이를 통해 최적의 위상 변환 행렬의 위상 변환 값들을 지능형 반사 표면(200)에 적용하여 위상 변화율을 제어하는 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, a method of designing an optimal phase transformation matrix of the intelligent
3. 본 발명에 따른 지능형 반사 표면(IRS)의 최적의 위상 변환 행렬 획득 방법3. Method for obtaining an optimal phase transformation matrix of an intelligent reflective surface (IRS) according to the present invention
도 2는 본 발명에 따른 지능형 반사 표면(IRS)의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 방법은, 크게 송신 전력 변환식 도출 단계(S100) 및 최적의 위상 변환 행렬 획득 단계(S200)를 포함하여 구성될 수 있다.2 is a diagram illustrating an optimal phase transformation matrix design method of an intelligent reflective surface (IRS) according to the present invention. Referring to FIG. 2 , the method of the present invention may largely include deriving a transmission power conversion equation ( S100 ) and obtaining an optimal phase transformation matrix ( S200 ).
본 발명에 따른 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 지능형 반사 표면(IRS)의 최적의 위상 변환 행렬을 설계하는 방법은, 앞서 설명한 것과 같이 기지국은 
먼저, 이 때, k번째 사용자 단말이 수신하는 신호는 아래의 [수학식 1]과 같이 표현된다. First, at this time, the signal received by the k-th user terminal is expressed as in [Equation 1] below.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 
3.1. 송신 전력 변환식 도출 단계(S100)3.1. Transmission power conversion equation derivation step (S100)
위 [수학식 1]에 따르는 사용자 단말의 수신 신호를 이용하여 본 발명에서 최대화하고자 하는 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 나타내면, 아래의 [수학식 2]와 같이 표현된다.When the frequency spectrum efficiency of the entire system to be maximized in the present invention is expressed using the received signal of the user terminal according to the above [Equation 1], it is expressed as in [Equation 2] below.
[수학식 2][Equation 2]
여기서, 분모의 
[수학식 3][Equation 3]
여기서, 
상기 [수학식 3]의 프리코딩 행렬을 이용하는 프리코딩을 통해 사용자 단말 간 간섭을 제거하고 나면, 상기 [수학식 2]에 따르는 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율은 아래의 [수학식 4]로 변환된다.After removing interference between user terminals through precoding using the precoding matrix of [Equation 3], the frequency spectrum efficiency of the entire system according to [Equation 2] is converted to the following [Equation 4] .
[수학식 4][Equation 4]
여기서, 제약 1은 기지국의 송신 전력 제약을 의미하며, 제약 2는 지능형 반사 표면이 위상만을 조절할 수 있기 때문에 발생하는 단위 진폭의 제약을 의미한다. 또한, 
따라서, 본 발명은 위 [수학식 4]의 
이에 따라, 송신 전력은 다음의 [수학식 5]와 같은 형태의 송신 전력 변환식으로 변환될 수 있다.Accordingly, the transmit power may be converted into a transmit power conversion formula of the form shown in [Equation 5] below.
즉, 송신 전력 변환식 도출 단계(S100)는, 상기 [수학식 4]에 따르는 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 기지국(송신단)의 송신 전력에 대한 제약을 최소화 하는 것으로 변환하여 위 [수학식 5]에 따르는 송신 전력 변환식을 도출하는 것이다. That is, in the step of deriving the transmission power conversion equation (S100), the frequency spectrum efficiency of the entire system according to [Equation 4] is converted into one that minimizes the constraint on the transmission power of the base station (transmitting terminal), and the above [Equation 5] It is to derive the following transmission power conversion equation.
이 때, 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬 
후술하는 최적의 위상 변환 행렬 획득 단계(S200)에서는 상기 문제를 해결하여 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 최적의 위상 변환 행렬을 구하는 3가지 기법을 제시한다. In step S200 of obtaining an optimal phase shift matrix to be described later, three techniques for obtaining an optimal phase shift matrix that solves the above problem and maximizes frequency spectral efficiency of the entire system are presented.
3.2. 최적의 위상 변환 행렬 획득 단계(S200)3.2. Optimal phase transformation matrix acquisition step (S200)
최적의 위상 변환 행렬 획득 단계(S200)는, 상술한 최적화 문제를 해결하여 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 최적의 위상 변환 행렬을 얻을 수 있는 여러 가지의 기법으로 구성된다. The step of obtaining an optimal phase shift matrix (S200) consists of various techniques capable of obtaining an optimal phase shift matrix that maximizes the frequency spectral efficiency of the entire system by solving the above optimization problem.
보다 구체적으로, 최적의 위상 변환 행렬 획득 단계(S200)는 상기 [수학식 5]에 따르는 송신 전력 변환식에 포함된 지능형 반사 표면(IRS)의 위상 변환 행렬을 볼록 함수(convex function)로 변환하는 과정을 기반으로 최적화를 수행하여, 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 지능형 반사 표면(IRS)의 위상 변환 행렬을 획득하도록 구성될 수 있다.More specifically, the step of acquiring the optimal phase transformation matrix (S200) is a process of converting the phase transformation matrix of the intelligent reflective surface (IRS) included in the transmission power conversion equation according to [Equation 5] into a convex function. It may be configured to perform optimization based on , to obtain a phase transformation matrix of an intelligent reflective surface (IRS) that maximizes system-wide spectral efficiency.
3.2.1. 제1 기법 수행 단계(S210)3.2.1. Performing the first technique (S210)
도 3은 제1 기법 수행 단계의 세부 단계를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 제1 기법 수행 단계(S210)는, 상기 도출된 [수학식 5]의 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국(송신단)의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 지능형 반사 표면(IRS)을 경유하는 기지국(송신단)과 사용자 단말들(수신단) 사이의 채널 행렬들의 합에 대한 특이 값 분해를 통해 획득되는 가장 큰 특이 값에 해당하는 특이 벡터를 이용하여, 현재 주기의 지능형 반사 표면(IRS)의 위상 변환 행렬을 획득하는 것으로 구성될 수 있다. 세부적인 과정은 아래와 같이 이루어진다.3 is a diagram showing detailed steps of the first technique execution step. Referring to FIG. 3, in the first technique performing step (S210), the derived transmission power conversion equation of [Equation 5] is modified and approximated, and the approximated transmission power conversion equation is used to maximize the transmission power of the base station (transmitting terminal). and based on this, the singular value corresponding to the largest singular value obtained through singular value decomposition of the sum of channel matrices between the base station (transmitting end) and user terminals (receiving end) via the intelligent reflective surface (IRS). Using the vector, it may consist of obtaining the phase transformation matrix of the intelligent reflective surface (IRS) of the current period. The detailed process is as follows.
가. 근사화 단계(S212)go. Approximation step (S212)
먼저, 상기 [수학식 5]에 따르는 송신 전력 변환식을 근사화 하는 근사화 단게(S212)를 수행하며, 이는 다음의 [수학식 6]에 따른다.First, an approximation step (S212) of approximating the transmission power conversion equation according to [Equation 5] is performed, which follows [Equation 6].
[수학식 6][Equation 6]
여기서, (a)는 정부호 행렬의 부등식 성질을 활용하여 하한의 수식으로 근사화 하는 과정을 의미한다. Here, (a) means the process of approximating with the lower limit formula by utilizing the inequality property of the definite matrix.
나. 변형 단계(S214)me. Transformation step (S214)
다음, 상기 [수학식 6]에 따라 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국(송신단)의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하는 단계(S214)를 수행한다. 이는 다음의 [수학식 7]에 따른다.Next, a step S214 of transforming the transmission power conversion equation approximated according to [Equation 6] into one that maximizes the transmission power of the base station (transmitting terminal) is performed. This is according to the following [Equation 7].
[수학식 7][Equation 7]
여기서, 
다. 최적의 위상 변환 행렬 생성 단계(S216)all. Optimal phase transformation matrix generation step (S216)
최적의 위상 변환 행렬 생성 단계(S216)는, 상기 [수학식 7]에서 지능형 반사 표면(IRS)을 경유하는 기지국(송신단)과 사용자 단말들(수신단) 사이의 채널 행렬들의 합에 대한 특이 값 분해를 통해 획득되는 가장 큰 특이 값에 해당하는 특이 벡터를 이용하여, 현재 주기의 지능형 반사 표면(IRS)의 위상 변환 행렬을 생성할 수 있다.The optimal phase transformation matrix generation step (S216) is the singular value decomposition of the sum of channel matrices between the base station (transmitting end) and user terminals (receiving end) via the intelligent reflective surface (IRS) in [Equation 7]. A phase transformation matrix of the intelligent reflective surface (IRS) of the current period may be generated using a singular vector corresponding to the largest singular value obtained through .
구체적으로, 상기 [수학식 7]에서 지능형 반사 표면을 경유하는 기지국(송신단)과 사용자 단말들(수신단) 사이의 채널 행렬들의 합 
[수학식 8][Equation 8]
위 [수학식 8]에 따라 산출되는 위상 변환 벡터 
3.2.2. 제2 기법 수행 단계(S220)3.2.2. Second technique execution step (S220)
도 4는 제2 기법 수행 단계의 세부 단계를 도시한 도면이고, 도 5는 제2 기법 설계 알고리즘을 보여주는 도면이다. 도 4 및 5를 참조하면, 제2 기법 수행 단계(S220)는, 상기 도출된 [수학식 5]의 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국(송신단)의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 후술하는 [수학식 9]에 따라 지능형 반사 표면(IRS)의 위상 변환 행렬을 생성하고, 상기 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간 오차가 소정의 수렴 조건을 충족하도록 생성된 위상 변환 행렬을 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 지능형 반사 표면(IRS)의 최적의 위상 변환 행렬로 획득하는 것으로 구성될 수 있다. 세부적인 과정은 아래와 같이 이루어진다.4 is a diagram showing detailed steps of the second technique execution step, and FIG. 5 is a diagram showing a second technique design algorithm. 4 and 5, in the second technique performing step (S220), the derived transmission power conversion equation of [Equation 5] is modified and approximated, and the approximated transmission power conversion equation is used as the transmission power of the base station (transmitting terminal). Maximize, and based on this, a phase transformation matrix of an intelligent reflective surface (IRS) is generated according to [Equation 9] described later, and the error between the generated phase transformation matrix and the comparison phase transformation matrix is a predetermined convergence condition. It may consist of obtaining the phase transformation matrix generated to satisfy the optimal phase transformation matrix of the intelligent reflective surface (IRS) maximizing the frequency spectral efficiency. The detailed process is as follows.
가. 근사화 단계(S221)go. Approximation step (S221)
먼저, 상기 [수학식 5]에 따르는 송신 전력 변환식을 근사화하는 근사화 단게(S221)를 수행하며, 이는 다음의 [수학식 6]에 따른다.First, an approximation step (S221) of approximating the transmission power conversion equation according to [Equation 5] is performed, which follows [Equation 6].
[수학식 6][Equation 6]
여기서, (a)는 정부호 행렬의 부등식 성질을 활용하여 하한의 수식으로 근사화 하는 과정을 의미한다. Here, (a) means the process of approximating with the lower limit formula by utilizing the inequality property of the definite matrix.
나. 변형 단계(S222)me. Transformation step (S222)
다음, 상기 [수학식 6]에 따라 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국(송신단)의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하는 단계(S222)를 수행한다. 이는 다음의 [수학식 7]에 따른다.Next, a step S222 of transforming the transmission power conversion equation approximated according to [Equation 6] into one that maximizes the transmission power of the base station (transmitting terminal) is performed. This is according to the following [Equation 7].
[수학식 7][Equation 7]
여기서, 
다. 위상 변환 행렬 생성 단계(S223)all. Phase transformation matrix generation step (S223)
위상 변환 행렬 생성 단계(S223)는, 상기 변형 단계(S222)에서 변형된 상기 [수학식 7]의 송신 전력 변환식을 최대화하도록 하는 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 생성하는 단계이다. 이는 다음의 [수학식 9]에 따르는 지능형 반사 표면의 반사 소자의 위상 변환 벡터 
[수학식 9][Equation 9]
여기서, i는 반복 횟수를 의미하고, 
라. 수렴조건 충족여부 판단 단계(S224)la. Convergence condition determination step (S224)
수렴조건 충족여부 판단 단계(S224)는, 상기 위상 변환 행렬 생성 단계(S223)에서 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간의 오차를 산출하여, 상기 산출된 오차가 소정의 오차 범위 내에 포함되는지에 따라 상기 생성된 위상 변환 행렬이 수렴조건을 충족하는지의 여부를 판단한다. The step of determining whether the convergence condition is satisfied (S224) calculates the error between the phase transform matrix generated in the phase transform matrix generation step (S223) and the comparison phase transform matrix, and determines whether the calculated error is within a predetermined error range. Accordingly, it is determined whether or not the generated phase transformation matrix satisfies the convergence condition.
1) 오차 산출 단계(S2242)1) Error calculation step (S2242)
오차 산출 단계(S2242)는, 상기 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간에 대응하는 각 반사 소자의 위상 변환 값 차이를 계산하여, 상기 두 행렬 간의 오차를 산출한다.In the error calculation step (S2242), an error between the two matrices is calculated by calculating a difference between the phase transformation value of each corresponding reflective element between the generated phase transformation matrix and the comparison phase transformation matrix.
2) 비교 판단 단계(S2244)2) Comparison judgment step (S2244)
비교 판단 단계(S2244)는, 상기 오차 산출 단계(S2242)에서 산출된 상기 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하는지를 비교한다.In the comparison decision step (S2244), whether the error between the generated phase transformation matrix and the comparison phase transformation matrix calculated in the error calculation step (S2242) is within a predetermined error range is compared.
비교 결과, 상기 산출된 두 행렬 간의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하는 경우, 상기 생성된 위상 변환 행렬이 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 위상 변환 행렬을 얻기 위한 수렴조건을 충족하는 것으로 판단할 수 있다.As a result of the comparison, when the calculated error between the two matrices falls within a predetermined error range, it may be determined that the generated phase transformation matrix satisfies the convergence condition for obtaining a phase transformation matrix that maximizes frequency spectral efficiency.
반면, 비교 결과, 상기 산출된 두 행렬 간의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하지 않는 경우, 상기 생성된 위상 변환 행렬이 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 위상 변환 행렬을 얻기 위한 수렴조건을 충족하지 않는 것으로 판단할 수 있다. On the other hand, as a result of the comparison, if the error between the two calculated matrices does not fall within a predetermined error range, it is determined that the generated phase transformation matrix does not satisfy the convergence condition for obtaining a phase transformation matrix that maximizes frequency spectral efficiency. can
3) 비교 위상 변환 행렬 갱신 단계(S2246)3) Updating Comparison Phase Transformation Matrix (S2246)
비교 위상 변환 행렬 갱신 단계(S2246)는, 상기 비교 단계(S2244)의 비교 결과, 상기 산출된 두 행렬 간의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하지 않으면, 상기 비교 위상 변환 행렬을 상기 생성된 위상 변환 행렬로 갱신한다.In the comparison phase transformation matrix updating step (S2246), as a result of the comparison in the comparison step (S2244), if the calculated error between the two matrices does not fall within a predetermined error range, the comparison phase transformation matrix is converted into the generated phase transformation matrix. update
최초 주기인 경우, 비교 위상 변환 행렬은 모든 위상 변환 값이 1로 구성된 초기 위상 변환 행렬로 설정된다.In the case of an initial period, the comparison phase transformation matrix is set to an initial phase transformation matrix in which all phase transformation values are 1.
그 다음 주기에서는, 상기 비교 단계(S2244)의 비교 결과 비교 위상 변환 행렬과의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하지 않는 상기 생성된 위상 변환 행렬을 상기 비교 위상 변환 행렬로 갱신한다.In the next cycle, the generated phase transformation matrix whose error with the comparison phase transformation matrix does not fall within a predetermined error range as a result of the comparison in the comparison step (S2244) is updated with the comparison phase transformation matrix.
즉, 쉽게 말해, 최초 주기에서는 소정의 초기 위상 변환 행렬을 비교 위상 변환 행렬로 하되, 다음 주기에서는 이전 주기에 생성된 위상 변환 행렬을 비교 위상 변환 행렬로 하는 것이다.In other words, in the first period, a predetermined initial phase transformation matrix is used as the comparison phase transformation matrix, and in the next period, the phase transformation matrix generated in the previous period is used as the comparison phase transformation matrix.
4) 회귀 단계(S2248)4) Regression step (S2248)
회귀 단계(S2248)는, 상기 비교 위상 변환 행렬 갱신 단계(S2246)를 통해 비교 위상 변환 행렬을 수렴조건을 충족하지 않는 상기 생성된 위상 변환 행렬로 갱신한 후, 수렴조건을 충족하는 위상 변환 행렬을 얻기 위하여 위상 변환 행렬 생성 단계(S223)로 회귀하여 위상 변환 행렬 생성 단계(S223) 내지 수렴조건 충족여부 판단 단계(S224)를 반복 수행한다.In the regression step (S2248), after updating the comparison phase transformation matrix with the generated phase transformation matrix that does not satisfy the convergence condition through the comparison phase transformation matrix updating step (S2246), a phase transformation matrix that satisfies the convergence condition is generated. In order to obtain it, it returns to the phase transformation matrix generation step (S223), and the phase transformation matrix generation step (S223) to the convergence condition determination step (S224) are repeatedly performed.
이와 같은 단계는, 생성된 위상 변환 행렬이 수렴조건을 충족할 때까지 반복적으로 수행된다. This step is repeatedly performed until the generated phase transformation matrix satisfies the convergence condition.
마. 최적의 위상 변환 행렬 결정 단계(S225)mind. Optimal phase transformation matrix determination step (S225)
최적의 위상 변환 행렬 결정 단계(S225)는, 상기 수렴조건 충족여부 판단 단계(S224)를 통해 비교 위상 변환 행렬과의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속할 때의 생성된 위상 변환 행렬을 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 최적의 위상 변환 행렬로 결정한다. In the step of determining the optimal phase shift matrix (S225), the phase shift matrix generated when the error with the comparison phase shift matrix falls within a predetermined error range through the step of determining whether the convergence condition is satisfied (S224) is used to determine the frequency spectral efficiency. Determine the optimal phase transformation matrix to maximize.
다시 말해, 생성된 위상 변환 행렬과 이전 주기에 생성된 위상 변환 행렬과의 손실함수(MSE: Mean Squared Error)를 비교하여, 두 행렬 간 오차 최소화 기법을 이용한 반복적인 최적화 과정을 통해 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 얻는 것이다. In other words, by comparing the loss function (MSE: Mean Squared Error) between the generated phase transformation matrix and the phase transformation matrix generated in the previous cycle, the frequency spectrum efficiency is improved through an iterative optimization process using an error minimization technique between the two matrices. to obtain the optimal phase transformation matrix of the maximizing intelligent reflective surface.
3.2.3. 제3 기법 수행 단계(S230)3.2.3. Third technique execution step (S230)
도 6은 제3 기법 수행 단계의 세부 단계를 도시한 도면이고, 도 7은 제3 기법 설계 알고리즘을 보여주는 도면이다. 도 6 및 7을 참조하면, 상기 제3 기법 수행 단계(S230)는, 지능형 반사 표면과 
가. 목적함수 설정 단계(S232)go. Objective function setting step (S232)
먼저, 상기 [수학식 5]에 따르는 송신 전력 변환식에서 지능형 반사 표면과 
[수학식 10][Equation 10]
여기서, 
이 때, 위 [수학식 10]에 따르는 
여기서, 
다음, 상기 [수학식 5]에 따르는 송신 전력 변환식으로부터 최적의 행렬을 구한다. Next, an optimal matrix is obtained from the transmission power conversion equation according to [Equation 5].
상기 최적의 행렬은, 상기 [수학식 5]의 송신 전력 변환식에서 기지국(100)과 지능형 반사 표면(200) 사이의 채널 행렬
상기 [수학식 5]의 송신 전력 변환식에서 송신 전력을 최소화하는 문제를 해결하기 위하여, 상기 획득된 
상기 획득된 
[수학식 11][Equation 11]
여기서, 
나. 목적함수 변형 단계(S234)me. Objective function transformation step (S234)
목적함수 변형 단계(S234)는, 상기 목적함수 설정 단계(S232)에서 설정된 [수학식 11]에 따르는 목적함수를 변형하는 단계이다.The objective function transformation step (S234) is a step of transforming the objective function according to [Equation 11] set in the objective function setting step (S232).
먼저, 위 [수학식 11]의 목적함수는 다음의 [수학식 12]와 같이 단순화하여 표현할 수 있다.First, the objective function of [Equation 11] above can be simplified and expressed as in [Equation 12] below.
[수학식 12][Equation 12]
여기서, 
위 [수학식 12]에서 
[수학식 13] [Equation 13]
다. 최적의 위상 변환 행렬 생성 단계(S236)all. Optimal phase transformation matrix generation step (S236)
따라서, 최종적으로 위 [수학식 13]을 최대화하는 지능형 반사 표면의 반사 소자의 위상 변환 값은, 다음의 [수학식 14]에 따라 산출할 수 있다.Therefore, the phase conversion value of the reflective element of the intelligent reflective surface that finally maximizes the above [Equation 13] can be calculated according to the following [Equation 14].
[수학식 14][Equation 14]
여기서, n = 1, 2, …, 
결론적으로, 위 [수학식 14]에 따라 지능형 반사 표면의 각 반사 소자의 위상 변환 값을 산출하여, 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 생성/획득할 수 있다.In conclusion, by calculating the phase transformation value of each reflective element of the intelligent reflective surface according to [Equation 14] above, an optimal phase transformation matrix of the intelligent reflective surface that maximizes the frequency spectrum efficiency of the entire system can be generated/obtained. there is.
도 8 내지 11은 본 발명에 따른 3가지 기법과 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 랜덤 값으로 구성한 랜덤 기법을 적용하여 나타나는 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다. 8 to 11 are views showing simulation results obtained by applying the three techniques according to the present invention and the random technique in which the phase transformation matrix of the intelligent reflective surface is composed of random values.
도 8은 16개의 송신 안테나가 배열된 기지국과 4대의 사용자 단말, 64개의 반사 소자가 장착된 지능형 반사 표면이 존재하는 환경에서, 기법 별로 나타나는 송신 전력(dB)에 따른 주파수 스펙트럼 효율(bps/Hz)을 보여준다. 8 shows the frequency spectrum efficiency (bps/Hz) according to the transmit power (dB) for each technique in an environment where a base station with 16 transmit antennas arranged, 4 user terminals, and an intelligent reflective surface equipped with 64 reflective elements exist. ) shows.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 제1 기법 내지 제3 기법으로 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 설계한 경우, 3가지 기법 모두 랜덤 기법에 비하여 높은 주파수 스펙트럼 효율을 보인다. 본 발명의 3가지 기법 중에서도, 특히 MMSE 기반의 제3 기법이 나머지 기법보다 가장 큰 성능의 향상을 보인다.Referring to FIG. 8 , when the phase transformation matrix of the intelligent reflective surface is designed by the first to third techniques according to the present invention, all three techniques show higher frequency spectral efficiency than the random technique. Among the three techniques of the present invention, the third technique based on MMSE shows the greatest improvement in performance compared to the other techniques.
도 9는 16개의 송신 안테나가 배열된 기지국과 4대의 사용자 단말이 존재하는 환경에서, 기법 별로 나타나는 지능형 반사 표면의 반사 소자의 개수(N)에 따른 주파수 스펙트럼 효율(bps/Hx)를 보여준다.9 shows the frequency spectrum efficiency (bps/Hx) according to the number (N) of reflective elements of the intelligent reflective surface for each technique in an environment where a base station with 16 transmit antennas arranged and 4 user terminals exist.
도 9에 보이는 것과 같이, 본 발명에 따른 제1 기법 내지 제3기법으로 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 설계한 경우, 3가지 기법 모두 랜덤 기법에 비하여 높은 주파수 스펙트럼 효율을 보인다. 특히, 본 발명의 MMSE 기반의 제3 기법의 경우, 지능형 반사 표면의 반사 소자의 수가 늘어남에 따라 더 높은 주파수 스펙트럼 효율을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 9 , when the phase transformation matrix of the intelligent reflective surface is designed by the first to third techniques according to the present invention, all three techniques show higher frequency spectral efficiency than the random technique. In particular, in the case of the third technique based on MMSE of the present invention, it can be confirmed that higher frequency spectrum efficiency can be obtained as the number of reflective elements of the intelligent reflective surface increases.
도 10은 16개의 송신 안테나가 배열된 기지국과 4대의 사용자 단말이 존재하는 환경에서, 무선 채널의 각도 분포(°)에 따른 주파수 스펙트럼 효율(bps/Hz)를 보여준다.10 shows the frequency spectrum efficiency (bps/Hz) according to the angular distribution (°) of a radio channel in an environment where a base station with 16 transmit antennas arranged and 4 user terminals exist.
도 10을 참조하면, 무선 채널 각도의 분포는 채널의 상관성에 영향을 미치며, 각도 분포가 작은 환경에서는 주파수 스펙트럼 효율, 즉 성능의 저하가 크게 발생한다. 하지만, 본 발명에 따른 MMSE 기반의 제3 기법으로 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 설계한 경우, 각도 분포가 낮아질수록 주파수 스펙트럼 효율이 감소하는 경향이 있지만, 낮은 각도 분포에서도 충분히 좋은 주파수 스펙트럼 효율을 보인다.Referring to FIG. 10, the distribution of radio channel angles affects the channel correlation, and in an environment where the angle distribution is small, frequency spectral efficiency, that is, performance is greatly degraded. However, when the phase transformation matrix of the intelligent reflective surface is designed with the third MMSE-based technique according to the present invention, the frequency spectrum efficiency tends to decrease as the angle distribution decreases, but the frequency spectrum efficiency is sufficiently good even at a low angle distribution. see.
도 11은 16개의 송신 안테나가 배열된 기지국과 64개의 반사 소자가 장착된 지능형 반사 표면이 존재하는 환경에서, 기법 별로 사용자 단말의 수(K)에 따른 주파수 스펙트럼 효율(bps/Hz)을 보여준다.11 shows the frequency spectrum efficiency (bps/Hz) according to the number of user terminals (K) for each technique in an environment where a base station with 16 transmit antennas arranged and an intelligent reflective surface equipped with 64 reflective elements exist.
도 11에 보이는 것과 같이, 사용자 단말이 4대를 초과하는 상황에서는 본 발명의 3가지 기법과 랜덤 기법 모두 주파수 스펙트럼 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 지능형 반사 표면을 거치는 무선 채널의 랭크가 충분히 보장되지 않기 때문에 발생하는 문제이다. 한편, 사용자 단말이 1대인 경우 본 발명에 따른 제1 내지 제3 기법 모두 동일한 주파수 스펙트럼 효율을 보이지만, 사용자 단말이 늘어날수록 근사화 기반의 제1,2 기법의 경우 랜덤 기법과 주파수 스펙트럼 효율의 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이는 근사화 기반의 기법들이 MMSE 기반의 기법에 비하여 채널의 상관성에 더 민감하다는 것을 보여준다. As shown in FIG. 11, it can be confirmed that the frequency spectrum efficiency decreases in all three techniques of the present invention and the random technique in a situation where the number of user terminals exceeds four. This is a problem that occurs because the rank of a radio channel passing through an intelligent reflective surface is not sufficiently guaranteed. On the other hand, when there is one user terminal, the first to third techniques according to the present invention show the same frequency spectrum efficiency, but as the number of user terminals increases, in the case of the first and second techniques based on approximation, the difference between the random technique and the frequency spectrum efficiency increases. decrease can be seen. This shows that approximation-based techniques are more sensitive to channel correlation than MMSE-based techniques.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Meanwhile, although the technical spirit of the present invention has been specifically described according to the above embodiments, it should be noted that the above embodiments are for explanation and not for limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical spirit of the present invention.
100: 기지국
200: 지능형 반사 표면
210: 반사 소자
300: 사용자 단말(UE 1 ~ UE K)100: base station
200: intelligent reflective surface
210: reflective element
300: User terminal (
Claims (28)
지능형 반사 표면을 거쳐 기지국으로부터 사용자 단말이 수신하는 신호를 이용하여 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 나타내는 주파수 스펙트럼 효율식을 생성하고, 상기 생성된 주파수 스펙트럼 효율식을 기지국의 송신 전력에 대한 제약을 최소화하는 것으로 변환하여 송신 전력 변환식을 도출하는 송신 전력 변환식 도출 단계; 및
상기 도출된 송신 전력 변환식에 포함된 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 볼록 함수로 변환하는 과정을 기반으로 최적화를 수행하여, 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 획득하는 최적의 위상 변환 행렬 획득 단계;
를 포함하여 구성되는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.
Generating a frequency spectrum efficiency equation representing the frequency spectrum efficiency of the entire system using a signal received by the user terminal from the base station through the intelligent reflective surface, and minimizing the constraint on the transmission power of the base station using the generated frequency spectrum efficiency equation a transmission power conversion equation derivation step of deriving a transmission power conversion equation by converting to a transmission power conversion equation; and
Optimization is performed based on the process of converting the phase transformation matrix of the intelligent reflective surface included in the derived transmission power conversion equation into a convex function to obtain an optimal phase transformation matrix of the intelligent reflective surface that maximizes the frequency spectral efficiency of the entire system. obtaining an optimal phase transformation matrix to obtain;
A method for designing an optimal phase transformation matrix of an intelligent reflective surface comprising a.
상기 최적의 위상 변환 행렬 획득 단계는,
상기 도출된 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 지능형 반사 표면을 경유하는 기지국과 사용자 단말들 사이의 채널 행렬들의 합에 대한 특이 값 분해를 통해 획득되는 가장 큰 특이 값에 해당하는 특이 벡터를 이용하여, 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 획득하는 제1 기법 수행 단계;
상기 도출된 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 생성하고, 상기 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간 오차가 소정의 수렴 조건을 충족하도록 생성된 위상 변환 행렬을 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬로 획득하는 제2 기법 수행 단계;
지능형 반사 표면과
중 어느 하나를 수행하여 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 획득하는 것; 을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.According to claim 1,
The step of obtaining the optimal phase transformation matrix,
The derived transmission power conversion equation is modified and approximated, and the approximated transmission power conversion equation is transformed to maximize the transmission power of the base station. performing a first technique of obtaining an optimal phase transformation matrix of an intelligent reflective surface using a singular vector corresponding to a largest singular value obtained through singular value decomposition for ;
The derived transmission power conversion equation is modified and approximated, and the approximated transmission power conversion equation is transformed into one that maximizes the transmission power of the base station. Based on this, a phase conversion matrix of the intelligent reflective surface is generated, and the generated phase conversion matrix and performing a second technique of acquiring a phase transformation matrix generated such that an error between comparison phase transformation matrices satisfies a predetermined convergence condition as an optimal phase transformation matrix of an intelligent reflective surface;
intelligent reflective surfaces
obtaining an optimal phase transformation matrix of an intelligent reflective surface that maximizes frequency spectral efficiency by performing any of the following; An optimal phase transformation matrix design method for intelligent reflective surfaces.
상기 생성된 주파수 스펙트럼 효율식은 다음의 [수학식 1]에 따르며, 상기 [수학식 1]으로부터 도출되는 송신 전력 변환식은, 다음의 [수학식 2]에 따르는 것을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.
[수학식 1]
여기서, 제약 1은 기지국의 송신 전력 제약을 의미하며, 제약 2는 지능형 반사 표면이 위상만을 조절할 수 있기 때문에 발생하는 단위 진폭의 제약을 의미한다. 또한,
[수학식 2]
여기서,
The generated frequency spectrum efficiency equation follows [Equation 1], and the transmission power conversion equation derived from [Equation 1] follows [Equation 2]. Phase transformation matrix design method.
[Equation 1]
Here, Constraint 1 refers to the transmission power limit of the base station, and Constraint 2 refers to the unit amplitude restriction that occurs because the intelligent reflective surface can only adjust the phase. also,
[Equation 2]
here,
상기 제1 기법 수행 단계는,
상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식을 근사화하는 근사화 단계;
상기 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하는 변형 단계;
상기 변형된 송신 전력 변환식에서 지능형 반사 표면을 경유하는 기지국과 사용자 단말들 사이의 채널 행렬들의 합에 대한 특이 값 분해를 통해 획득되는 가장 큰 특이 값에 해당하는 특이 벡터를 이용하여, 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 생성하는 최적의 위상 변환 행렬 생성 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.According to claim 3,
In the first technique performing step,
An approximation step of approximating the transmission power conversion equation of [Equation 2];
a transformation step of transforming the approximated transmission power conversion equation into one that maximizes the transmission power of the base station;
In the modified transmit power conversion equation, using the singular vector corresponding to the largest singular value obtained through singular value decomposition of the sum of channel matrices between the base station and user terminals via the intelligent reflective surface, An optimal phase transformation matrix generation step of generating an optimal phase transformation matrix;
An optimal phase transformation matrix design method for an intelligent reflective surface, characterized in that it comprises a.
상기 제2 기법 수행 단계는,
상기 [수학식 2] 의 송신 전력 변환식을 근사화하는 근사화 단계;
상기 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하는 변형 단계;
상기 변형된 송신 전력 변환식을 최대화하도록 하는 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 생성하는 위상 변환 행렬 생성 단계;
상기 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간의 오차를 산출하고, 상기 산출된 오차가 소정의 오차 범위 내에 포함되는지에 따라 상기 생성된 위상 변환 행렬이 수렴조건을 충족하는지의 여부를 판단하는 수렴조건 충족여부 판단 단계;
상기 수렴조건 충족여부 판단 단계를 통해 비교 위상 변환 행렬과의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하는 것으로 생성된 위상 변환 행렬을, 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬로 결정하는 최적의 위상 변환 행렬 결정 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법. According to claim 3,
In the second technique performing step,
an approximation step of approximating the transmission power conversion equation of [Equation 2];
a transformation step of transforming the approximated transmission power conversion equation into one that maximizes the transmission power of the base station;
a phase transformation matrix generation step of generating a phase transformation matrix of an intelligent reflective surface that maximizes the transformed transmit power transformation equation;
A convergence condition for calculating an error between the generated phase transformation matrix and the comparison phase transformation matrix, and determining whether or not the generated phase transformation matrix satisfies a convergence condition according to whether the calculated error is within a predetermined error range. Satisfaction determination step;
Optimal phase transformation matrix determination step of determining, as the optimal phase transformation matrix of the intelligent reflective surface, a phase transformation matrix generated through the step of determining whether the convergence condition is satisfied or not, wherein the error with the comparison phase transformation matrix is within a predetermined error range ;
An optimal phase transformation matrix design method for an intelligent reflective surface, characterized in that it comprises a.
상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식을 근사화하는 단계는, 다음의 [수학식 3]에 따르는 것을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.
[수학식 3]
여기서, (a)는 정부호 행렬의 부등식 성질을 활용하여 하한의 수식으로 근사화 하는 과정을 의미한다.According to claim 4 or 5,
The step of approximating the transmission power conversion equation of [Equation 2] is according to the following [Equation 3].
[Equation 3]
Here, (a) means the process of approximating with the lower limit formula by utilizing the inequality property of the definite matrix.
상기 [수학식 3]에 따르는 근사화 된 송신 전력 변환식을 변형하는 단계는, 다음의 [수학식 4]에 따르는 것을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.
[수학식 4]
여기서,
The method of designing an optimal phase transformation matrix for an intelligent reflective surface, characterized in that the step of transforming the approximated transmit power conversion equation according to [Equation 3] follows [Equation 4].
[Equation 4]
here,
상기 제1 기법 수행 단계의 최적의 위상 변환 행렬 생성 단계에서, 상기 [수학식 4]에 따라 변형된 송신 전력 변환식을 기반으로 특이 값 분해를 통해 생성되는 최적의 위상 변환 행렬은, 다음의 [수학식 5]에 따라 산출되는 위상 변환 벡터
[수학식 5]
In the step of generating the optimal phase shift matrix in the step of performing the first technique, the optimal phase shift matrix generated through singular value decomposition based on the transmit power transform equation modified according to [Equation 4] is Phase transformation vector calculated according to Equation 5]
[Equation 5]
상기 제2 기법 수행 단계의 위상 변환 행렬 생성 단계에서,
상기 생성되는 위상 변환 행렬은, 다음의 [수학식 6]에 따르는 위상 변환 벡터
[수학식 6]
여기서, i는 반복 횟수를 의미하고,
In the phase transformation matrix generation step of the second technique performing step,
The generated phase transformation matrix is a phase transformation vector according to the following [Equation 6]
[Equation 6]
Here, i means the number of iterations,
상기 수렴조건 충족여부 판단 단계는,
상기 위상 변환 행렬 생성 단계에서 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간의 오차를 산출하는 오차 산출 단계;
상기 산출된 두 행렬 간의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하는지를 비교하는 비교 단계;
상기 비교 결과, 상기 산출된 오차가 소정의 오차 범위 내에 속하지 않으면, 상기 비교 변환 위상 변환 행렬을 상기 생성된 위상 변환 행렬로 갱신하는 비교 위상 변환 행렬 갱신 단계;
상기 비교 위상 변환 행렬 갱신 단계 후, 상기 위상 변환 행렬 생성 단계로 회귀하는 회귀 단계;
를 포함하여 구성되며,
상기 회귀 단계 후, 생성되는 위상 변환 행렬이 비교 변환 행렬과의 오차가 소정의 오차 범위 내에 속할 때까지 상기 위상 변환 행렬 생성 단계 내지 수렴조건 충족여부 판단 단계를 반복 수행하는 것; 을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.According to claim 5,
In the step of determining whether the convergence condition is satisfied,
an error calculation step of calculating an error between the phase transformation matrix generated in the phase transformation matrix generation step and the comparison phase transformation matrix;
a comparison step of comparing whether the calculated error between the two matrices falls within a predetermined error range;
a comparison phase transformation matrix updating step of updating the comparison transformation phase transformation matrix with the generated phase transformation matrix when the calculated error does not fall within a predetermined error range as a result of the comparison;
a regression step of returning to the phase transformation matrix generation step after the comparison phase transformation matrix updating step;
It consists of,
After the regression step, repeatedly performing the step of generating the phase transform matrix or determining whether a convergence condition is met until an error between the generated phase transform matrix and the comparison transform matrix falls within a predetermined error range; An optimal phase transformation matrix design method for intelligent reflective surfaces.
상기 제3 기법 수행 단계는, 상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식에서 지능형 반사 표면과
상기 송신 전력 변환식으로부터 특이 값 분해를 통해 기지국과 지능형 반사 표면 사이의 채널 행렬
상기 획득된 결합 행렬
In the step of performing the third technique, in the transmission power conversion equation of [Equation 2], the intelligent reflective surface and
Channel matrix between the base station and the intelligent reflective surface through singular value decomposition from the transmit power conversion equation
The obtained coupling matrix
상기 최적의 해 획득 단계에서 획득되는 결합 행렬
[수학식 7]
여기서,
Combination matrix obtained in the optimal solution obtaining step
[Equation 7]
here,
상기 목적함수 설정 단계에서 설정되는 목적함수는, 다음의 [수학식 8]에 따르는 것을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.
[수학식 8]
여기서,
An optimal phase transformation matrix design method for an intelligent reflective surface, characterized in that the objective function set in the objective function setting step complies with the following [Equation 8].
[Equation 8]
here,
상기 목적함수 변형 단계에서 변형되는 목적함수는, 다음의 [수학식 9]에 따르는 것을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.
[수학식 9]
The objective function transformed in the objective function transformation step is an optimal phase transformation matrix design method for an intelligent reflective surface, characterized in that according to the following [Equation 9].
[Equation 9]
상기 최적의 위상 변환 행렬 생성 단계에서, 상기 [수학식 9]과 같이 변형된 목적함수를 최대화하는 지능형 반사 표면의 각 반사 소자의 위상 변환 값을 산출하는 것은, 다음의 [수학식 10]에 따르는 것을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.
[수학식 10]
여기서, n = 1, 2, …,
In the step of generating the optimal phase transformation matrix, calculating the phase transformation value of each reflective element of the intelligent reflective surface that maximizes the transformed objective function as shown in [Equation 9] follows [Equation 10] An optimal phase transformation matrix design method for an intelligent reflective surface, characterized in that.
[Equation 10]
Here, n = 1, 2, ... ,
상기 수렴조건 충족여부 판단 단계에서,
초기 비교 위상 변환 행렬은, 각 위상 변환 행렬 값이 1로 구성된 행렬로 설정되는 것을 특징으로 하는 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬 설계 방법.According to claim 10,
In the step of determining whether the convergence condition is satisfied,
An optimal phase transformation matrix design method for an intelligent reflective surface, characterized in that the initial comparison phase transformation matrix is set to a matrix in which each phase transformation matrix value is 1.
소정의 위상 변환 행렬 획득 방식으로 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 최대화하는 최적의 위상 변환 행렬을 획득하여, 지능형 반사 표면의 각 반사 소자의 위상 변환 값으로 제어하는 제어부를 포함하는 기지국;
상기 기지국의 제어부에 의해 제어되는 위상 변화율에 따라 상기 기지국으로부터 입력되는 신호에 대한 위상을 조절하여 적어도 둘 이상의 사용자 단말로 반사하는 지능형 반사 표면(IRS); 및
각 수신 안테나를 통해 상기 지능형 반사 표면의 각 반사 소자에 의해 위상이 조절된 신호를 수신하는 사용자 단말들;
을 포함하여 구성되며,
상기 제어부에서 최적의 위상 변환 행렬을 획득하는 것은, 지능형 반사 표면을 거쳐 기지국으로부터 사용자 단말이 수신하는 신호를 이용하여 시스템 전체의 주파수 스펙트럼 효율을 나타내는 주파수 스펙트럼 효율식을 생성하고, 상기 생성된 주파수 스펙트럼 효율식을 기지국의 송신 전력에 대한 제약을 최소화하는 것으로 변환하여 송신 전력 변환식을 도출한 후, 상기 도출된 송신 전력 변환식에 포함된 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 볼록 함수로 변환하는 과정을 기반으로 최적화를 수행하는 제1 내지 제3 기법 중 어느 하나의 기법을 사용하여 획득하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
a base station including a control unit that obtains an optimal phase transformation matrix that maximizes frequency spectral efficiency of the entire system using a predetermined phase transformation matrix acquisition method and controls the phase transformation value of each reflective element of the intelligent reflective surface;
an intelligent reflective surface (IRS) for adjusting the phase of the signal input from the base station according to the phase change rate controlled by the controller of the base station and reflecting the signal to at least two or more user terminals; and
User terminals receiving signals whose phases are adjusted by each reflective element of the intelligent reflective surface through respective receiving antennas;
It consists of,
Acquisition of the optimal phase transformation matrix by the control unit generates a frequency spectrum efficiency equation representing the frequency spectrum efficiency of the entire system using a signal received by the user equipment from the base station via the intelligent reflective surface, and the generated frequency spectrum After deriving the transmission power conversion equation by converting the efficiency equation into one that minimizes the constraint on the transmission power of the base station, based on the process of converting the phase transformation matrix of the intelligent reflective surface included in the derived transmission power conversion equation into a convex function A wireless communication system characterized in that the acquisition is performed using any one of the first to third techniques for performing optimization.
상기 생성된 주파수 스펙트럼 효율식은 다음의 [수학식 1]에 따르며, 상기 [수학식 1]로부터 도출되는 송신 전력 변환식은, 다음의 [수학식 2]에 따르는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
[수학식 1]
여기서, 제약 1은 기지국의 송신 전력 제약을 의미하며, 제약 2는 지능형 반사 표면이 위상만을 조절할 수 있기 때문에 발생하는 단위 진폭의 제약을 의미한다. 또한,
[수학식 2]
여기서,
The generated frequency spectrum efficiency equation follows [Equation 1], and the transmission power conversion equation derived from [Equation 1] follows [Equation 2]. A wireless communication system.
[Equation 1]
Here, Constraint 1 refers to the transmission power limit of the base station, and Constraint 2 refers to the unit amplitude restriction that occurs because the intelligent reflective surface can only adjust the phase. also,
[Equation 2]
here,
상기 제1 기법은,
상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 지능형 반사 표면을 경유하는 기지국과 사용자 단말들 사이의 채널 행렬들의 합에 대한 특이 값 분해를 통해 획득되는 가장 큰 특이 값에 해당하는 특이 벡터를 이용하여 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬을 획득하는 것; 을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.According to claim 18,
The first technique,
The transmission power conversion equation of [Equation 2] is modified and approximated, and the approximated transmission power conversion equation is modified to maximize the transmission power of the base station, and based on this, the channel between the base station and user terminals via the intelligent reflective surface obtaining an optimal phase transformation matrix of the intelligent reflective surface using a singular vector corresponding to the largest singular value obtained through singular value decomposition of the sum of the matrices; A wireless communication system characterized by
상기 제2 기법은,
상기 [수학식 2]의 송신 전력 변환식을 변형하여 근사화하고, 근사화 된 송신 전력 변환식을 기지국의 송신 전력을 최대화하는 것으로 변형하여, 이를 기반으로 지능형 반사 표면의 위상 변환 행렬을 생성하고, 상기 생성된 위상 변환 행렬과 비교 위상 변환 행렬 간 오차가 소정의 수렴 조건을 충족하도록 생성된 위상 변환 행렬을 지능형 반사 표면의 최적의 위상 변환 행렬로 획득하는 것; 을 특징으로 하는 무선 통신 시스템. According to claim 18,
The second technique,
The transmission power conversion equation of [Equation 2] is modified and approximated, and the approximated transmission power conversion equation is transformed into one that maximizes the transmission power of the base station, and based on this, a phase transformation matrix of the intelligent reflective surface is generated, and the generated obtaining a phase transformation matrix generated so that an error between the phase transformation matrix and the comparison phase transformation matrix satisfies a predetermined convergence condition as an optimal phase transformation matrix of the intelligent reflective surface; A wireless communication system characterized by
상기 제3 기법은,
지능형 반사 표면과
The third technique,
intelligent reflective surfaces
상기 근사화 된 [수학식 2]의 송신 전력 변환식은, 다음의 [수학식 3]에 따르는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
[수학식 3]
여기서, (a)는 정부호 행렬의 부등식 성질을 활용하여 하한의 수식으로 근사화 하는 과정을 의미한다.The method of claim 19 or 20,
The wireless communication system, characterized in that the transmission power conversion equation of the approximated [Equation 2] follows [Equation 3].
[Equation 3]
Here, (a) means the process of approximating with the lower limit formula by utilizing the inequality property of the definite matrix.
상기 변형된 [수학식 3]의 송신 전력 변환식은, 다음의 [수학식 4]에 따르는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
[수학식 4]
여기서,
The wireless communication system, characterized in that the transmission power conversion equation of the modified [Equation 3] follows [Equation 4].
[Equation 4]
here,
상기 제1 기법은,
상기 [수학식 4]에 따르는 변형된 송신 전력 변환식을 기반으로 특이 값 분해를 통해 다음의 [수학식 5]에 따라 산출되는 위상 변환 벡터
[수학식 5]
The first technique,
The phase conversion vector calculated according to the following [Equation 5] through singular value decomposition based on the modified transmit power conversion equation according to [Equation 4] above.
[Equation 5]
상기 제2 기법은,
상기 [수학식 4]과 같이 변형된 송신 전력 변환식을 기반으로 다음의 [수학식 6]에 따르는 위상 변환 벡터
[수학식 6]
여기서, i는 반복 횟수를 의미하고,
The second technique,
A phase conversion vector according to the following [Equation 6] based on the modified transmission power conversion equation as in [Equation 4] above.
[Equation 6]
Here, i means the number of iterations,
상기 제2 기법에서,
초기 비교 위상 변환 행렬은 각 위상 변환 값이 1로 구성된 행렬로 설정되며, 그 이후에는 상기 소정의 수렴조건을 충족하지 않는 것으로 생성된 위상 변환 행렬로 갱신되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템. According to claim 20,
In the second technique,
The initial comparison phase transformation matrix is set to a matrix in which each phase transformation value is 1, and thereafter is updated with a phase transformation matrix generated that does not satisfy the predetermined convergence condition.
상기 제3 기법은, 다음의 [수학식 8]와 같이 설정된 목적함수를 [수학식 9]와 같이 변형하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
[수학식 8]
여기서,
[수학식 9]
The third technique is a wireless communication system, characterized in that the objective function set as in the following [Equation 8] is transformed as in [Equation 9].
[Equation 8]
here,
[Equation 9]
상기 제3 기법은,
상기 [수학식 9]에 따르는 변형된 목적함수를 최대화하는 지능형 반사 표면의 각 반사 소자의 위상 변환 값을 다음의 [수학식 10]에 따라 산출하여 최적의 위상 변환 행렬을 획득하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
[수학식 10]
여기서, n = 1, 2, …,
The third technique,
Characterized in that an optimal phase transformation matrix is obtained by calculating the phase transformation value of each reflective element of the intelligent reflective surface that maximizes the modified objective function according to [Equation 9] according to the following [Equation 10] wireless communication system.
[Equation 10]
Here, n = 1, 2, ... ,
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| KR102192234B1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-12-17 | 성균관대학교 산학협력단 | Communication method of wireless communication system including intelligent reflecting surface and an apparatus for the communication method |
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| CN117135641B (en) * | 2023-10-26 | 2024-01-30 | 国网冀北电力有限公司 | Resource allocation method and device of RIS-based power fusion communication network |
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