[論文レビュー] Aerial Intelligent Reflecting Surface: Joint Placement and Passive Beamforming Design with 3D Beam Flattening

Haiquan Lu, Yong Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 38被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、送信ビームフォーミング、AIRSの配置、3次元受動ビームフォーミングを共同で最適化することにより、標的領域全体における最小限の信号対雑音比（SNR）を最大化するための共同最適化フレームワークを提案する。本稿では、サブアレイを用いた新しい3次元ビーム拡張および平坦化技術を導入し、カバー範囲全体にわたる一様なアレイゲインを実現し、ベンチマーク手法と比較して最大30 dBのSNR向上を達成する。

ABSTRACT

This paper proposes a new three-dimensional (3D) wireless passive relaying system enabled by aerial IRS (AIRS). Compared to the conventional terrestrial IRS, AIRS enjoys more deployment flexibility as well as wider-range signal reflection, thanks to its high altitude and thus more likelihood of establishing line-of-sight (LoS) links with ground source/destination nodes. Specifically, we aim to maximize the worst-case signal-to-noise ratio (SNR) over all locations in a target area by jointly optimizing the transmit beamforming for the source node and the placement as well as 3D passive beamforming for the AIRS. The formulated problem is non-convex and thus difficult to solve. To gain useful insights, we first consider the special case of maximizing the SNR at a given target location, for which the optimal solution is obtained in closed-form. The result shows that the optimal horizontal AIRS placement only depends on the ratio between the source-destination distance and the AIRS altitude. Then for the general case of AIRS-enabled area coverage, we propose an efficient solution by decoupling the AIRS passive beamforming design to maximize the worst-case array gain, from its placement optimization by balancing the resulting angular span and the cascaded channel path loss. Our proposed solution is based on a novel 3D beam broadening and flattening technique, where the passive array of the AIRS is divided into sub-arrays of appropriate size, and their phase shifts are designed to form a flattened beam pattern with adjustable beamwidth catering to the size of the coverage area. Both the uniform linear array (ULA)-based and uniform planar array (UPA)-based AIRSs are considered in our design, which enable two-dimensional (2D) and 3D passive beamforming, respectively. Numerical results show that the proposed designs achieve significant performance gains over the benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 地上型IRSの展開の柔軟性およびカバー範囲の制限を解消するため、空中IRS（AIRS）システムを提案すること。
• 信号強度および展開制約を考慮した3次元空間における標的領域全体の最小限のSNRを最大化すること。
• 送信ビームフォーミング、AIRSの配置、3次元受動ビームフォーミングを共同最適化することで、より良好なエリアカバレッジを実現すること。
• 標的領域全体にわたる一様なアレイゲインを実現するビーム拡張および平坦化技術を開発すること。
• 従来の1次元ビームフォーミングおよび固定配置手法と比較して、提案手法の優位性を示すこと。

提案手法

• 送信ビームフォーミング、AIRSの配置、3次元受動ビームフォーミングを共同で最適化することで、3次元標的領域全体における最小限のSNRを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• サブアレイに最適化された位相シフトを適用することで、調整可能なビーム幅を持つ一様なビームを生成する、3次元ビーム拡張および平坦化技術を導入する。
• 最適化を2段階に分離する：まずビーム設計による最小限のアレイゲインの最大化、次に最適なAIRS配置のための角度範囲とパスロスのバランスをとる。
• 2次元および3次元ビームフォーミングのそれぞれに対して、一様線形アレイ（ULA）および一様平面アレイ（UPA）構成を適用する。
• 単一位置のSNR最大化という特殊ケースに対して閉形式解を導出する。その結果、最適な水平配置は、送信元-受信元距離と高度比にのみ依存することが示された。
• 数値最適化およびシミュレーションを用いて、提案された共同設計の性能向上を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信元、受信元、およびIRSの高度の幾何的関係が、空中IRSの最適水平配置にどのように影響するか？
• RQ2 3次元標的領域全体にわたって一様な信号強度を実現し、最小限のSNR劣化を抑えるビームフォーミング戦略は何か？
• RQ3 3次元ビーム拡張および平坦化技術は、従来の1次元ビームフォーミングと比較して、アレイゲインおよびカバレッジの均一性においてどのように異なるか？
• RQ4 固定配置またはベンチマーク配置手法と比較して、配置とビームフォーミングの共同最適化による性能向上はどの程度か？
• RQ5 サブアレイ位相制御を用いることで、大規模なカバー範囲全体にわたってほぼ一様なアレイゲインを達成できるか？

主な発見

• 最適な水平AIRS配置は、送信元-受信元距離とIRS高度比にのみ依存し、単一位置のSNR最大化において閉形式で導出された。
• 提案された3次元ビーム拡張および平坦化技術により、標的領域のすべての位置でほぼ等しいアレイゲインが達成され、一様な性能が実現された。
• UPAベースのAIRSでは、提案手法がベンチマークの1次元ビームフォーミングを最大30 dB上回る最小限のSNRを達成し、特に大規模なカバー範囲において顕著な向上が見られた。
• 最適化されたAIRS配置は、ベンチマークの中央配置と比較して顕著な性能向上を示し、共同最適化の重要性を強調した。
• UPAベースのAIRSでは、提案されたビームフォーミングによりULAベースのAIRSと同等の性能が達成されたが、デアクティベートベースのベンチマーク手法は性能が劣り、アレイ開口の変動に敏感であった。
• 提案手法は、全カバー範囲にわたり高いアレイゲインを維持し、SNRのばらつきを低減し、動的または複雑な環境下でも信頼性を向上させた。