[論文レビュー] Outage Analysis for Intelligent Reflecting Surface Assisted Vehicular Communication Networks

Jue Wang, Wence Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、ミリ波車両通信ネットワークにおけるアウトージ確率を低減するために、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を支援する車両通信システムを提案する。車両の遮蔽をポアソン点過程でモデル化し、級数展開および中心極限定理を適用することで、正確なアウトージ確率の近似式を導出する。その結果、より大きなIRSの開口部サイズと低い車両密度が、カバレッジと信頼性を著しく向上させることを示しており、M=500要素のIRSでは、RSU付近よりもIRS付近のアウトージ確率が低くなる。

ABSTRACT

Vehicular communication is an important application of the fifth generation of mobile communication systems (5G). Due to its low cost and energy efficiency, intelligent reflecting surface (IRS) has been envisioned as a promising technique that can enhance the coverage performance significantly by passive beamforming. In this paper, we analyze the outage probability performance in IRS-assisted vehicular communication networks. We derive the expression of outage probability by utilizing series expansion and central limit theorem. Numerical results show that the IRS can significantly reduce the outage probability for vehicles in its vicinity. The outage probability is closely related to the vehicle density and the number of IRS elements, and better performance is achieved with more reflecting elements.

研究の動機と目的

• ミリ波車両通信における高いアウトージ確率と限られたカバレッジを、遮蔽および路損の影響によって是正すること。
• 実際のレーンサイド設置シナリオにおいて、車両密度とIRSサイズがアウトージ性能に与える影響を調査すること。
• 現実的な遮蔽条件下でのIRS支援車両通信ネットワークにおけるアウトージ確率の正確な解析的表現を開発すること。
• カバレッジと信頼性の観点から、従来の車両通信ネットワークと比較して、IRS支援システムの性能を評価すること。

提案手法

• ランダムな車両分布と遮蔽効果を表すために、車両通信ネットワークをポアソン点過程でモデル化する。
• 統計的近似のため、級数展開（SEA）と中心極限定理（CLA）を用いてアウトージ確率の式を導出する。
• 直接リンク、RSU-IRSリンク、およびIRS-ユーザーリンクを含むチャネルモデルを定式化し、大規模なフェージングと遮蔽を考慮する。
• 漸近解析を適用し、IRS要素数Mを増加させることで、アウトージ確率が極限において0に近づくことを示す。
• 28 GHzの搬送周波数や5 mの車両長さといった現実的なパrameterを用いて、モンテカルロシミュレーションによる解析結果の妥当性を検証する。
• 異なる車両密度とIRSサイズにおける性能評価のため、解析的・シミュレーション的ハイブリッドアプローチを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波車両通信ネットワークにおけるIRS反射素子数の増加が、アウトージ確率に与える影響は何か？
• RQ2 車両密度が、IRS支援車両通信システムのアウトージ性能に与える影響は何か？
• RQ3 遮蔽状態下でアウトージ確率を予測するにあたり、級数展開と中心極限定理の近似はどの程度正確か？
• RQ4 高移動性・高密度環境下において、IRS設置は従来の車両通信ネットワークと比較して、カバレッジを著しく向上させることができるか？

主な発見

• IRSサイズが大きくなるにつれてアウトージ確率は著しく低下し、M=500要素では、RSU付近よりもIRS付近のアウトージ確率が低くなる。
• M=500の場合、アウトージ確率が0.3未満の領域は、IRSなし（M=0）と比較して3倍に拡大する。
• 級数展開（n=10）と中心極限定理（CLA）に基づく解析的近似は、ユーザーの位置にかかわらず、モンテカルロシミュレーション結果と非常に良く一致する。
• 低い車両密度は遮蔽確率を低下させ、特に大規模なIRSアレイと組み合わせることで、アウトージ性能が向上する。
• IRS要素数Mを増加させると、アウトージ確率は0に近づくため、カバレッジ強化の大きな可能性を示している。
• IRS設置は、反射面付近の狭い領域で最も効果的であるため、レーンサイドに複数の協調型IRSを設置する可能性が示唆される。