[論文レビュー] Hybrid Active/Passive Wireless Network Aided by Intelligent Reflecting Surface: System Modeling and Performance Analysis

Jiangbin Lyu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 39被引用数 26

ひとこと要約

本稿は、インテリジェント反射表面（IRS）とアクティブ基 station（BS）を統合したハイブリッドアクティブ/パッシブ無線ネットワークを提案し、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させる。確率的幾何学的手法を用いて空間相関チャネルをモデル化し、下行スルーレートの閉形式表現を導出。その結果、最適なIRS/BS密度比が、IRSを備えない従来のネットワークよりもコスト効率の高い容量向上を実現することが明らかになった。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a new and promising paradigm to substantially improve the spectral and energy efficiency of wireless networks, by constructing favorable communication channels via tuning massive low-cost passive reflecting elements. Despite recent advances in the link-level performance optimization for various IRS-aided wireless systems, it still remains an open problem whether the large-scale deployment of IRSs in wireless networks can be a cost-effective solution to achieve their sustainable capacity growth in the future. To address this problem, we study in this paper a new hybrid wireless network comprising both active base stations (BSs) and passive IRSs, and characterize its achievable spatial throughput in the downlink as well as other pertinent key performance metrics averaged over both channel fading and random locations of the deployed BSs/IRSs therein based on stochastic geometry. Compared to prior works on characterizing the performance of wireless networks with active BSs only, our analysis needs to derive the power distributions of both the signal and interference reflected by distributed IRSs in the network under spatially correlated channels, which exhibit channel hardening effects when the number of IRS elements becomes large. Extensive numerical results are presented to validate our analysis and demonstrate the effectiveness of deploying distributed IRSs in enhancing the hybrid network throughput against the conventional network without IRS, which significantly boosts the signal power but results in only marginally increased interference in the network. Moreover, it is unveiled that there exists an optimal IRS/BS density ratio that maximizes the hybrid network throughput subject to a total deployment cost given their individual costs, while the conventional network without IRS is generally suboptimal in terms of throughput per unit cost.

研究の動機と目的

• 大規模なIRSの導入が、持続可能な無線ネットワーク容量の増加に対してコスト効率の良い解決策であるかどうかを調査すること。
• 空間相関 fading チャネル下でのアクティブBSとパッシブIRSを組み合わせたハイブリッドネットワークの性能をモデル化・分析すること。
• ランダムなBS/IRS配置およびチャネル fading を平均化した下り回線における空間スルーレートおよびその他の主要性能指標を定量化すること。
• 単位導入コストあたりのネットワークスルーレートを最大化するための最適なIRS/BS密度比を同定すること。
• IRSを支援するハイブリッドネットワークが、従来のアクティブのみのネットワークと比較して、スペクトル効率およびコスト効率の面で優れていることを示すこと。

提案手法

• アクティブBSおよびパッシブIRSのランダムな空間配置を、独立した均一なポアソン点過程（HPPP）として確率的幾何学的手法でモデル化する。
• 空間相関レイノールドフェージングチャネル下で、分散型IRSが反射する目的信号および干渉電力の分布を導出する。
• 各IRSに多数の反射素子を備える大規模IRSにおけるチャネル硬化効果を活用し、解析を簡略化する。
• HPPPの確率生成関数（PGFL）を用いて、カバレッジ確率および信号対干渉加算ノイズ比（SINR）分布を計算する。
• 干渉電力のラプラス変換およびチャネル利得の補完的累積分布関数（ccdf）を用いて、下り回線の空間スルーレートの閉形式表現を導出する。
• ファ・ディ・ブルーノの公式およびベル多項式を用いて、性能解析における合成関数の高階微分を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パッシブIRSをアクティブBSと統合することで、無線ネットワークの下り回線空間スルーレートにどのような影響を与えるか？
• RQ2 空間相関フェージングおよびIRSに起因するチャネル硬化効果が、ハイブリッドアクティブ/パッシブネットワークのシステム性能に与える影響は何か？
• RQ3 所定の総導入コスト下で、ネットワークスルーレートを最大化するための最適なIRS/BS密度比は何か？
• RQ4 スペクトル効率およびコスト効率の観点から、IRS支援ハイブリッドネットワークと従来のアクティブのみのネットワークの性能はどのように比較できるか？
• RQ5 大規模な無線ネットワークに分散型IRSを導入する際の、信号強化と干渉増大の主なトレードオフは何か？

主な発見

• 分散型IRSを備えたハイブリッドネットワークは、従来のアクティブのみのネットワークと比較して、顕著に高い空間スルーレートを達成しており、信号電力の大幅な増強と干渉のわずかな増加にとどまっている。
• IRSの導入により、特に視線（LOS）および視線遮断（NLOS）状況下で、パッシブビームフォーミングによる有利なチャネル再構成が可能となり、スペクトル効率が向上する。
• 単位コストあたりのスルーレートを最大化する最適なIRS/BS密度比が存在し、従来のネットワーク（IRS密度がゼロ）はこの指標において一般的に非最適である。
• 解析により、大規模IRSにおけるチャネル硬化効果が性能モデルの簡略化を可能とし、主要指標の正確な閉形式表現が得られることを明らかにした。
• 数値結果が解析フレームワークの妥当性を検証し、将来の無線ネットワークにおいてIRSの導入がコスト効率の良い解決策であることを確認した。
• カバレッジ確率および空間スルーレートの導出式は正確かつスケーラブルであり、実際のネットワーク環境下での性能評価が可能である。