[論文レビュー] Cooperative Double-IRS Aided Communication: Beamforming Design and Power Scaling

Yitao Han, Shuowen Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 11被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、2つの知能反射汎用表面（IRS）を協調的にビームフォーミングすることで、$\mathcal{O}(K^4)$ の電力増幅を達成する共同型デュアル-IRSシステムを提案する。これは、単一のIRSが達成する$\mathcal{O}(K^2)$ の増幅と比べて顕著に優れている。IRS間チャネルを視線（LoS）としてモデル化し、受動的ビームフォーマーを共同最適化することで、二重反射経路による高次信号強化を実現し、シミュレーションにより検証され、Rician fadingチャネルへと拡張されている。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising technology to support high performance wireless communication. By adaptively configuring the reflection amplitude and/or phase of each passive reflecting element on it, the IRS can reshape the electromagnetic environment in favour of signal transmission. This letter advances the existing research by proposing and analyzing a double-IRS aided wireless communication system. Under the reasonable assumption that the reflection channel from IRS 1 to IRS 2 is of rank 1 (e.g., line-of-sight channel), we propose a joint passive beamforming design for the two IRSs. Based on this, we show that deploying two cooperative IRSs with in total K elements can yield a power gain of order O(K^4), which greatly outperforms the case of deploying one traditional IRS with a power gain of order O(K^2). Our simulation results validate that the performance of deploying two cooperative IRSs is significantly better than that of deploying one IRS given a sufficient total number of IRS elements. We also extend our line-of-sight channel model to show how different channel models affect the performance of the double-IRS aided wireless communication system.

研究の動機と目的

• 直接通信が遮断された二重反射無線リンクにおいて、2つの協調的IRSを配置した場合の性能向上を調査すること。
• 合計K個の反射素子を有する条件下で、2つのIRSにおける共同受動ビームフォーミングを設計し、信号電力を最大化すること。
• デュアル-IRSシステムの電力スケーリング則を特定し、単一IRS配置と比較すること。
• チャネルモデル（特にLoS対Rician fading）がビームフォーミング性能およびシステムのロバストネスに与える影響を分析すること。

提案手法

• 2つのIRS間のチャネルを、幾何的関係に基づきランク1のLoSチャネルとしてモデル化する。
• 基地局（BS）→IRS 1→IRS 2→ユーザーの二重反射経路を最大限に信号電力が集中するように、両IRSの閉形式受動ビームフォーマーを導出する。
• IRS 1がIRS 2の1つの素子に向けてエネルギーを指向し、IRS 2がそのすべての素子で信号をcoherentに合成する共同ビームフォーミング設計を採用する。
• 電力スケーリング解析を適用し、両IRSを共同最適化した場合、受信信号電力が$\mathcal{O}(K^4)$ に比例して増幅することを示す。
• IRS間チャネルにLoS成分とRayleigh散乱成分を導入することで、LoSモデルをRician fadingモデルに拡張する。
• 同様の総素子数を持つベンチマーク単一IRSシステムと比較し、異なるRician因子（τ）におけるデュアル-IRSシステムの性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ総反射素子数を有する単一IRSと比較して、2つの協調的IRSを用いることで得られる最大電力増幅はどの程度か？
• RQ2 2つのIRSにおける共同受動ビームフォーミング設計は、二重反射経路をどのように活用して信号強度を向上させているか？
• RQ3 IRS間チャネルモデル（LoS対Rician fading）が共同ビームフォーミング設計の性能に与える影響は何か？
• RQ4 Rician fading係数τが低下するにつれて、デュアル-IRSシステムの性能はどのように低下し、その理由は何か？
• RQ5 なぜ単一IRSシステムはチャネルモデルの変化に対してロバストであるのに対し、デュアル-IRSシステムは非LoS成分に対して感受的なのか？

主な発見

• 合計K個の素子を有する2つの協調的IRSを配置することで、電力増幅が$\mathcal{O}(K^4)$ に比例する。これは、同じ素子数を有する単一IRSの$\mathcal{O}(K^2)$ 増幅と比べて、四乗的に優れている。
• K = 1600の場合、素子数を800から1600に倍増させたとき、デュアル-IRSでは受信SNRが約12 dB向上するが、単一IRSでは約6 dBにとどまる。これにより、$\mathcal{O}(K^4)$ 対 $\mathcal{O}(K^2)$ のスケーリング則が裏付けられる。
• Kが大きい（例：K ≥ 1600）場合にはデュアル-IRSシステムが受信SNR面で単一IRSを著しく上回るが、Kが小さい場合にはビームフォーミング損失のため、優位性が顕著でない。
• Rician fading下では、Rician因子τが低下するにつれてデュアル-IRSシステムの性能が劣化する。これは、共同ビームフォーマーがランク1チャネルを仮定しているが、チャネルランクが上昇するにつれてその仮定が崩れるためである。
• 単一IRSシステムは、チャネルの平均振幅に合わせてビームフォーマーを設計するため、チャネルモデルの変更に対して感受性が低く、特定の低ランク構造に依存しない。
• シミュレーション結果から、理論的な$\mathcal{O}(K^4)$ 電力増幅を達成するためには、IRS間の視線（LoS）を確保する最適なIRS配置が不可欠であることが確認された。