[論文レビュー] 3D Beamforming in Reconfigurable Intelligent Surfaces-assisted Wireless Communication Networks.

S. Mohammad Razavizadeh, Tommy Svensson|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、基地局にフルディメンショナルアレイを備えたリソースインテンシブ（RIS）支援無線ネットワークにおいて、放射パターン、RISの位相シフト、傾き・仰り角を同時に最適化する3次元ビームフォーミング方式を提案する。3次元波面制御と共同最適化を活用することで、スペクトル効率とSNRが向上し、従来のシステムに比べ顕著な性能向上を達成する。

ABSTRACT

Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) or Intelligent Reflecting Surfaces (IRS) are metasurfaces that can be deployed in various places in wireless environments to make these environments controllable and reconfigurable. In this paper, we investigate the problem of using 3D beamforming in RIS-empowered wireless networks and propose a new scheme that provides more degrees of freedom in designing and deploying the RIS-based networks. In the proposed scheme, a base station (BS) equipped with a full dimensional array of antennas optimizes its radiation pattern in the three dimensional space to maximize the received signal to noise ratio at a target user. We also study the effect of angle of incidence of the received signal by the RIS on its reflecting properties and find a relation between this angle and the BS antenna array's tilt and elevation angles. The user receives the signal from a reflected path from the RIS as well as from a direct path from the BS which both depend on the BS antenna array's tilt and elevation angles. These angles and also the RIS element's phase shifts are jointly numerically optimized. Our simulation results show that using RIS-assisted 3D beamforming with optimized phase shifts and radiation angles can considerably improve the performance of wireless networks.

研究の動機と目的

• 従来のRIS支援システムにおける自由度の制限を解消するため、フルディメンショナルアレイを用いた3次元ビームフォーミングを導入する。
• 入射角がRISの反射特性に与える影響と、基地局のアレイの傾き・仰り角との関係を調査する。
• ユーザー受信SNRを最大化するために、基地局の放射パターンとRISの位相シフトを共同最適化する。
• RIS支援ネットワークにおける直接パスと反射パスの両方をモデル化・活用し、システム性能を向上させる。
• 従来の2次元ビームフォーミングに比べ、最適化されたRISおよびビームフォーミングパrameterを用いた3次元ビームフォーミングの性能向上を実証する。

提案手法

• 基地局にフルディメンショナルアレイを用いて、3次元空間における放射パターンを制御し、方位角および仰り角における動的ビームステアリングを可能にする。
• RISにおける信号の反射を入射角の関数としてモデル化し、この角度と基地局アレイの傾き・仰り角との間の数学的関係を確立する。
• ユーザー受信SINRを最大化するために、基地局のビームフォーミングベクトルとRIS素子の位相シフトを共同最適化する。
• 基地局からユーザーへの直接パスと反射パスの両方を考慮し、反射パスはRISの構成と入射角に依存する。
• 実用的制約下で、共同ビームフォーミングと位相シフト設計問題を解くために数値最適化手法を採用する。
• RISの反射効率と入射角との関係を導出し、この関係は基地局ビームの傾き・仰り角に影響を受ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルディメンショナルアレイを用いた3次元ビームフォーミングは、従来の2次元ビームフォーミングに比べ、RIS支援無線ネットワークの性能をどのように向上させるか？
• RQ2 RISにおける入射角と基地局アレイの傾き・仰り角の間にはどのような関係があるか？
• RQ3 直接パスと反射パスがRIS支援システムにおける受信SNRにどのように寄与するか？
• RQ4 ビームフォーミングとRIS位相シフトの両方を最適化することで、システムのスペクトル効率とカバレッジにどのような影響を与えるか？
• RQ5 RISの反射利得は入射角にどのように依存するか？ また、この特性をビームフォーミング設計にどのように活用できるか？

主な発見

• ビームフォーミングとRIS位相シフトを共同最適化した本手法の3次元ビームフォーミングにより、ユーザー受信SNRが顕著に向上する。
• RISにおける入射角は、基地局アレイの傾き・仰り角に直接影響を受けるため、反射効率に影響を与える。
• ビームフォーミングとRIS位相シフトの共同最適化は、固定または準最適な設定のシステムに比べ、顕著な性能向上をもたらす。
• システムモデルに直接パスと反射パスの両方を組み込むことで、より良い diversity や信頼性の向上が実現できる。
• シミュレーション結果から、最適化されたRIS配置を伴う3次元ビームフォーミングが、RIS支援環境におけるスペクトル効率とネットワークカバレッジを向上させることを確認した。
• 本手法は、ネットワーク設計における追加の自由度を提供し、複雑な環境下でもより柔軟で頑健な無線通信を実現可能にする。