[論文レビュー] An Energy-efficient Aerial Backhaul System with Reconfigurable Intelligent Surface

Hong-Bae Jeon, Sungho Park+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 48被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、地上遮蔽物による妨げを受ける都市部における無人航空機基地局（UAV-BS）の信頼性の高い視線ライン（LoS）バックホールリンクを実現するために、高高度プラットフォームに搭載された再構成可能インテリジェント表面（RIS）を用いたエネルギー効率の高い空中バックホールシステムを提案する。RISの配置、アレイ分割、位相シフトを共同最適化することにより、二次的複雑性の最適化手法を用いて、遮蔽物が多い都市環境でもベンチマークを上回る高いエネルギー効率を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel wireless architecture, mounted on a high-altitude aerial platform, which is enabled by reconfigurable intelligent surface (RIS). By installing RIS on the aerial platform, rich line-of-sight and full-area coverage can be achieved, thereby, overcoming the limitations of the conventional terrestrial RIS. We consider a scenario where a sudden increase in traffic in an urban area triggers authorities to rapidly deploy unmanned-aerial vehicle base stations (UAV-BSs) to serve the ground users. In this scenario, since the direct backhaul link from the ground source can be blocked due to several obstacles from the urban area, we propose reflecting the backhaul signal using aerial-RIS so that it successfully reaches the UAV-BSs. We jointly optimize the placement and array-partition strategies of aerial-RIS and the phases of RIS elements, which leads to an increase in energy-efficiency of every UAV-BS. We show that the complexity of our algorithm can be bounded by the quadratic order, thus implying high computational efficiency. We verify the performance of the proposed algorithm via extensive numerical evaluations and show that our method achieves an outstanding performance in terms of energy-efficiency compared to benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 都市部における遮蔽物や視線外（non-LoS）伝搬の影響により不安定な地上バックホールリンクの課題に対処すること。
• 空中プラットフォームに搭載されたRISを介してLoSバックホールを実現することで、UAV-BSのエネルギー効率を向上させること。
• RISの配置、アレイ分割、位相シフトを共同最適化してエネルギー効率を最大化すること。
• 動的で変化しやすい都市部の展開環境においても高い性能を維持しつつ、計算複雑性を低減すること。

提案手法

• 高高度の空中プラットフォームに再構成可能インテリジェント表面（RIS）を設置し、UAV-BSに対して豊富なLoSリンクを構築する。
• 送信側で最大効率送信（MRT）ビームフォーミングを用い、RISの反射経路を通じて信号をUAV-BSに整合させる。
• 非凸制約下でRISの配置、アレイ分割、位相シフトを共同最適化し、エネルギー効率を最大化する。
• 非凸の多目的最適化問題を効率的に解くために、二次的複雑性のアルゴリズムを適用する。
• 最適なRIS素子の分割を導出するために、Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件を用いた双対分解法を採用する。
• 電力制約およびデータレート制約下で、最適なRIS分割サイズを立方根に基づく閉形式解で求める。

Figure 1: Proposed UAV-BS access network with aerial-RIS backhaul link. The source is equipped with $M$ directional antennas and sends the backhaul signal to $M_{0}$ UAV-BSs. The RIS is assumed to be implemented on a voluminous aerial platform placed at an altitude of $H$ , and reflects the backhaul

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空中プラットフォームに搭載されたRISは、都市部のUAV-BS展開においてバックホールの信頼性とエネルギー効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 RISの配置、アレイ分割、位相シフトの共同最適化は、システムのエネルギー効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 提案された最適化フレームワークの計算複雑性は何か？また、リアルタイム実装を保証するために複雑性を上限に束縛できるか？
• RQ4 遮蔽状況下で、提案された空中RISシステムは地上RISおよび直接バックホールと比較してエネルギー効率がどのように異なるか？
• RQ5 RISアレイの分割と位相シフト設計は、スペクトル効率およびエネルギー効率にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案された空中RISシステムは、遮蔽確率の高い都市環境においても、ベンチマーク手法よりも優れたエネルギー効率を達成する。
• RISの配置、アレイ分割、位相シフトの共同最適化により、所定のデータレートを達成するための送信電力が顕著に低減される。
• アルゴリズムの計算複雑性は二次関数的オーダーに制限されており、効率的なリアルタイム実装が可能である。
• 空中RISの等方的反射特性のおかげで、UAV-BSが空を飛行する状況を含む、完全な3次元カバレッジが実現可能である。
• 数値評価により、提案手法が直接バックホールおよび地上RISソリューションを上回るエネルギー効率を示している。
• 最適なRIS分割は、立方根に基づく閉形式解を用いて導出されており、高速収束を保証している。

Figure 2: Passive beamforming gain $g$ and the region of full/sub-array structure. If the sin-AoD deviation exceeds the HPBW of the beamforming gain with full-array structure, we apply the sub-array structure to include the deviated point.