[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) Assisted Wireless Coverage Extension: RIS Orientation and Location Optimization

Shuhao Zeng, Hongliang Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

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

ひとこと要約

本稿は、基地局（BS）からの水平距離とリコンフィギュラブルインテリジェントサーフェス（RIS）の向きを共同最適化することで、RIS支援下りリンクネットワークにおけるカバレッジ最大化アルゴリズム（CMA）を提案する。RISの最適な向きはπ/2（BS-RIS方向に対して垂直）の閉形式解として導出され、内点法を用いて距離を最適化する。その結果、中程度の配置がカバレッジを最大化し、特にセルエッジ端ユーザーの性能を顕著に向上することが示された。

ABSTRACT

Recently, reconfigurable intelligent surfaces (RIS) have attracted a lot of attention due to their capability of extending cell coverage by reflecting signals toward the receiver. In this letter, we analyze the coverage of a downlink RIS-assisted network with one base station (BS) and one user equipment (UE). Since the RIS orientation and the horizontal distance between the RIS and the BS have a significant influence on the cell coverage, we formulate an RIS placement optimization problem to maximize the cell coverage by optimizing the RIS orientation and horizontal distance. To solve the formulated problem, a coverage maximization algorithm (CMA) is proposed, where a closed-form optimal RIS orientation is obtained. Numerical results verify our analysis.

研究の動機と目的

• 既存のRIS支援ネットワークにおける体系的なRIS配置最適化の欠如に取り組むこと。特にカバレッジ拡張の観点から。
• 1台の基地局（BS）と1台の端末設備（UE）を想定した下りリンク環境において、RISの向きとBSからの水平距離がセルカバレッジに与える影響を調査すること。
• RISの向きと位置を調整することでセルカバレッジを最大化するための連合最適化問題を定式化し、解くこと。
• 閉形式の最適なRIS向きを可能にする実用的なアルゴリズム（CMA）を開発すること。

提案手法

• 入射角と位相シフトに依存するRISの反射係数をモデル化することで、カバレッジ最大化問題を定式化する。
• 幾何学的解析と信号対雑音比（SNR）解析を用いて、RISの最適な向きがπ/2ラジアン（90度）である閉形式解を導出する。
• 内点法を用いて、最大カバレッジを得るためのRISとBS間の水平距離を数値的に最適化する。
• 位相シフトと振幅応答Γ = cos(θi)を調整可能なM×Nのサブ波長要素から成る平面アレイとしてRISをモデル化する。
• BS-RIS間とRIS-UE間の角度φに基づき、余弦定理を用いてUEとRIS間の水平距離を計算する。
• SNR要件に基づき、カバレッジ領域の境界を定義するためのしきい値距離d_th(φ)を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIS支援下りリンクネットワークにおけるセルカバレッジを最大化する最適なRIS向きは何か？
• RQ2 RISとBS間の水平距離は、実現可能なセルカバレッジにどのように影響するか？
• RQ3 信号のRISへの入射角は、反射係数にどのように影響し、結果としてUEにおけるSNRにどのように影響するか？
• RQ4 現実的なチャネルモデル下で、最適なRIS向きについて解析的に閉形式解を導出可能か？
• RQ5 提案されたCMAアルゴリズムは、ランダム配置やヒューリスティックな配置戦略に比べ、カバレッジ向上の観点でどのように優れているか？

主な発見

• 最適なRISの向きはπ/2ラジアン（90度）であり、これはRISがBS-RIS接続線に対して垂直に配置されるべきであることを意味する。
• RISがBSから中程度の水平距離に配置された場合にセルカバレッジが最大となり、近すぎず遠すぎてもカバレッジは低下する。
• RISがBSから遠く離れるにつれて、路損の影響が顕著になり、入射角が有利であってもカバレッジが劣化する。
• 提案されたCMAアルゴリズムは、ランダム配置よりも顕著に高いカバレッジを達成し、入射角の影響を無視するベースライン手法を上回る。
• シミュレーション結果から、送信電力とRIS要素数の増加に伴いSNRが向上し、カバレッジが向上することが確認された。
• 理論的およびシミュレーションによるカバレッジ曲線が一致しており、解析モデルと導出された最適な向きの妥当性が検証された。