[論文レビュー] Beyond Intelligent Reflecting Surfaces: Reflective-Transmissive Metasurface Aided Communications for Full-dimensional Coverage Extension

Shuhang Zhang, Hongliang Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

この論文では、反射および透過の両方の信号伝送を可能にするインテリジェント・オムニサーフェス（IOS）を提案し、従来のインテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を凌駕するフルディメンショナルな無線カバレッジを実現する。反射経路および透過経路の位相シフトを統合最適化することで、IOSは従来のセルラーシステムに比べ最大20倍のスペクトル効率（SE）を達成し、同じサイズのIRSに比べ平均SEで67%の向上を実現する。

ABSTRACT

In this paper, we study an intelligent omni-surface (IOS)-assisted downlink communication system, where the link quality of a mobile user (MU) can be improved with a proper IOS phase shift design. Unlike the intelligent reflecting surface (IRS) in most existing works that only forwards the signals in a reflective way, the IOS is capable to forward the received signals to the MU in either a reflective or a transmissive manner, thereby enhancing the wireless coverage. We formulate an IOS phase shift optimization problem to maximize the downlink spectral efficiency (SE) of the MU. The optimal phase shift of the IOS is analysed, and a branch-and-bound based algorithm is proposed to design the IOS phase shift in a finite set. Simulation results show that the IOS-assisted system can extend the coverage significantly when compared to the IRS-assisted system with only reflective signals.

研究の動機と目的

• インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）が信号を反射するのみで片側がカバーされないという、カバレッジの制限を解消すること。
• 反射および透過の両方の信号を同時に処理できるインテリジェント・オムニサーフェス（IOS）を用いた新しい通信フレームワークの開発。
• IOS上の最適な位相シフト設計を通じて、スペクトル効率（SE）最大化問題を定式化し、解法を提示すること。
• カバレッジおよびSEの観点から、IOSとIRS、および従来のセルラーシステムとの性能向上を評価すること。

提案手法

• 電気的に制御可能な要素を備えたIOSのための新しい物理的モデルを提案し、反射および透過の両方の信号操作を可能にする。
• 直接伝搬、反射伝搬、透過伝搬の3つのリンクの重ね合わせとしてチャネルをモデル化し、異なるパスロスおよび位相シフトを考慮する。
• ライン・オブ・サイト（LoS）および非ライン・オブ・サイト（NLoS）成分を含む総合チャネルゲイン式を導出。位相シフトは反射および透過経路にのみ影響を与える。
• 直接経路と位相を整合させるために、各要素の最適位相シフトを幾何的パス差の関数として定式化。
• 全探索を避けるために、有限集合内での最適位相シフトを探索するブランチアンドバウンドアルゴリズムを構築。
• ランダムなMU配置を想定したモンテカルロシミュレーションを用い、平均SEおよびカバレッジ拡張を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反射および透過の両方をサポートするIOSは、従来のIRSと比較して、下りりんクススペクトル効率（SE）を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 IOSの位相シフト設計は、直接、反射および透過経路の合成ゲインにどのように影響を与えるか？
• RQ3 移動端末がサーフェスのどちら側にいる場合でも、有効チャネルゲインを最大化するためのIOS各要素の最適位相シフトは何か？
• RQ4 IOSのサイズが平均スペクトル効率およびカバレッジ拡張に与える影響は何か？
• RQ5 実際の屋内展開において、IOSはIRSおよび直接リンクのみのセルラーシステムに比べてどの程度の性能向上を実現するか？

主な発見

• 10×10要素を有するIOSは、従来のセルラーシステムに比べて平均スペクトル効率（SE）を約20倍に向上させる。
• 同等サイズのIOSは、両面カバレッジを実現するため、IRSに比べて平均SEを67%も向上させる。
• 提案されたブランチアンドバウンドアルゴリズムは、有限集合内での近似的最適位相シフトを効率的に探索し、全探索を回避する。
• スペクトル効率が最大になるのは、各IOS要素の位相シフトが反射および透過信号を直接LoS経路と位相整合させる場合である。
• カバレッジはIOSの両側に広がるが、IRSは入射側のユーザーにのみ対応するため、IOSはオムニディレクショナルな移動端末サポートにおいて優れている。
• IOSサイズの増加に伴い、スペクトル効率の増加率は鈍り、ある要素数を超えるとリターンの逓減が顕著になる。