[論文レビュー] Relay Aided Intelligent Reconfigurable Surfaces: Achieving the Potential Without So Many Antennas

Ying Xiaoyan, Umut Demirhan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用数 35

ひとこと要約

リレー支援IRSアーキテクチャを提案。二つの表面を全二重リレーで接続し、要素数を削減しつつスペクトル効率の向上を維持。

ABSTRACT

This paper proposes a novel relay-aided intelligent reconfigurable surface (IRS) architecture for future wireless communication systems. The proposed architecture, which consists of two side-by-side intelligent surfaces connected via a full-duplex relay, has the potential of achieving the promising gains of intelligent surfaces while requiring much smaller numbers of reflecting elements. Consequently, the proposed IRS architecture needs significantly less channel estimation and beam training overhead and provides higher robustness compared to classical IRS approaches. Further, thanks to dividing the IRS reflection process over two surfaces, the position and orientation of these surfaces can be optimized to extend the wireless communication coverage and enhance the system performance. In this paper, the achievable rates and required numbers of elements using the proposed relay-aided IRS architecture are first analytically characterized and then evaluated using numerical simulations. The results show that the proposed architecture can achieve the data rate targets with much smaller numbers of elements compared to typical IRS solutions, which highlights a promising path towards the practical deployment of these intelligent surfaces.

研究の動機と目的

• 古典的なIRS展開の実用的な課題を克服するための、リレー支援型インテリジェントリコンフィギュラブルサーフェス（IRS）アーキテクチャを動機づけ、設計する。
• AFおよびDFリレーの下で、提案アーキテクチャの達成可能なレートと必要な要素数を定量化する。
• 送信機/受信機–IRSリンクおよびリレー–IRSリンクの混合近接場/遠方場チャンネルモデルを開発する。
• スペクトル効率と要素要件の観点から、提案されたリレー支援IRSを標準IRSおよびリレーシステムと比較する。
• 反射要素を削減してターゲットレートを達成するための展開上の洞察とガイドラインを提供する。

提案手法

• 全二重リレーを用いた二つの IRS を含むアーキテクチャを導入し、IRS 1 は送信機からリレーへ、IRS 2 はリレーから受信機へ反射する。
• 複合送信機/IRS および IRS/リレー周りの混合近接場/遠方場チャンネルモデルを導出する。
• AF および DF リレーを用いたリレー支援 IRS の閉形式達成可能レートを導出する。
• ターゲットレートに対して必要な要素数を推定するための界と式を提供する。
• 古典的な IRS および単一リレー構成と比較するため、3.5 GHz および 60 GHz で数値シミュレーションによる性能評価を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的な IRS および単純なリレーと比較して、リレー支援 IRS アーキテクチャでどのような利得が得られるか？
• RQ2 AF および DF リレーの下で、提案アーキテクチャでターゲットレートを達成するには、反射要素はいくつ必要か？
• RQ3 送信機–IRS–リレー–IRS–受信機のチャネルを、混合近接場と遠方場の効果を捉えるようにどのようにモデル化できるか？
• RQ4 二表面リレー支援 IRS デザインのスペクトル効率の限界と実用的展開への示唆は何か？

主な発見

• リレー支援 IRS は、従来の IRS よりも高いスペクトル効率を、はるかに少ない反射要素で達成できる。
• 提示された設定では DF リレーを用いたリレー支援 IRS が AF より高いレートをもたらすが、複雑さとレイテンシは大きい。
• 要素数の削減により、巨大要素 IRS と比べて広いビームと頑健性の向上を実現する。
• リレーの両側にある二つの表面は展開の柔軟性と潜在的なカバレッジ拡張を可能にし、遮蔽を緩和する。
• 解析的表現と界は、リレー支援 IRS が多くの要素を用いた大規模 IRS に匹敵する利得を、要素を少なくして提供できることを示す。
• 60 GHz でのシミュレーション結果は、古典的な IRS と比較してターゲットレートを達成するために必要な要素の大幅な削減を示す。