[論文レビュー] Intelligent Omni-Surface: Ubiquitous Wireless Transmission by Reflective-Transmissive Metasurface

Shuhang Zhang, Hongliang Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、無線信号の反射と屈折を同時に可能にする再構成可能インテリジェントサーフェス（IOS）であるインテリジェントオムニサーフェス（IOS）を提案する。これにより、サーフェスの両側に位置するユーザーを同時にサービス可能とし、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）に比べて大幅にカバレッジを拡大する。マルチアンテナベースステーションにおける位相シフトとビームフォーミングを共同最適化することで、有利な条件下ではIRSに比べて合計スループットが最大2倍に向上し、理論的・シミュレーション的結果により、IOSの優れたカバレッジとスペクトル効率が裏付けられている。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS), which is capable to adjust propagation conditions by controlling phase shifts of the reflected waves that impinge on the surface, has been widely analyzed for enhancing the performance of wireless systems. However, the reflective properties of widely studied IRSs restrict the service coverage to only one side of the surface. In this paper, to extend the wireless coverage of communication systems, we introduce the concept of intelligent omni-surface (IOS)-assisted communication. More precisely, IOS is an important instance of reconfigurable intelligent surface (RIS) that is capable to provide service coverage to the mobile users (MUs) in a reflective and a transmissive manner. We consider a downlink IOS-assisted communication system, where a multi-antenna small base station (SBS) and an IOS perform beamforming jointly, to improve the received power of multiple MUs on both sides of the IOS, through different reflective/transmissive channels. To maximize the sum-rate, we formulate a joint IOS phase shift design and SBS beamforming optimization problem, and propose an iterative algorithm to solve the resulting non-convex program efficiently. Both theoretical analysis and simulation results show that an IOS significantly extends the service coverage of the SBS when compared to an IRS.

研究の動機と目的

• 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）が信号源と同じ側のユーザーにのみサービスを提供するという一方向カバレッジの制限を解決すること。
• 反射と屈折の二重機能を可能にすることで、表面の両側に位置するユーザーにサービスを提供する無線サービスカバレッジの拡張。
• 合計スループットを最大化するために、IOSの位相シフトと基地局ビームフォーミングを共同最適化するフレームワークの設計。
• マルチユーザー下行リンク環境において、IOSの優れたカバレッジとスペクトル効率を理論的および実証的に検証すること。

提案手法

• 信号の反射と屈折を制御できるプログラマブルなPINダイオードを備えた、反射・透過型メタサーフェスアーキテクチャを提案。
• マルチアンテナ小型基地局（SBS）とIOSを用いたダウンリンクシステムをモデル化し、別々の反射経路と屈折経路を通じて両側のユーザーをサービス提供。
• 合計スループットの最大化を目的とした、非凸最適化問題としてIOS位相シフトとSBSビームフォーミングの共同設計を定式化。
• 交互最適化と逐次凸近似を用いた反復的アルゴリズムを提案し、非凸最適化問題を効率的に解く。
• 合計スループット関数の微分解析を用いて、反射波と屈折波の最適な電力分配条件を理論的に導出。
• 理論的分析とシミュレーションを用いてシステムモデルを検証し、対称的・非対称なユーザー配置下でのIRSとの比較を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反射と屈折を併用することで、表面の両側に同時にユーザーをサービス可能とする再構成可能メタサーフェスを設計可能か？
• RQ2 IOSの位相シフトと基地局ビームフォーミングを共同最適化することで、従来のIRSに比べて合計スループットはどのように向上するか？
• RQ3 マルチユーザー下り回線システムにおいて、IOSがIRSに比べて得られる合計スループット向上の理論的上限は何か？
• RQ4 ユーザーのチャネル状態に応じて、反射波と屈折波の最適な電力比はどのように変化するか？
• RQ5 ユーザーの位置の対称性が、IOSとIRSの性能向上に与える影響は何か？

主な発見

• 信号電力が高く、ユーザーのチャネルゲインがバランスしている漸近的状態では、提案されたIOSは従来のIRSに比べ最大2倍の合計スループット向上を達成する。
• 理論的分析により、合計スループットが最大になるのは、反射波と屈折波の電力比がユーザーの相対的チャネルゲインに応じて設定された場合であることが証明された。
• シミュレーション結果により、IOSはサービスカバレッジを顕著に拡大し、表面両側のユーザーに対する信頼性の高い通信を可能にすることが確認された。
• 反復的アルゴリズムは効率的に収束し、位相シフト分解能が制限される実用的状況でも、ほぼ最適な合計スループット性能を達成した。
• ユーザーのチャネルゲインが対称な場合、反射と屈折の最適な電力分配比は1:1となり、バランス状態で合計スループットが最大化される。
• IOS支援システムの合計スループットは、ユーザー分布やチャネル状態にかかわらず、常にIRS支援システムの2倍で上限づけられる。