[論文レビュー] Sum-Rate Maximization for IRS-Assisted UAV OFDMA Communication Systems

Zhiqiang Wei, Yuanxin Cai+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 45被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、無人航空機（UAV）のトラジェクトリ、IRS位相シフト、リソース割り当てを共同最適化することで、和スループットを最大化するインテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）支援UAV OFDMAシステムを提案する。パラメトリック近似を用いて合成チャネルをモデル化し、交互最適化を適用することで、特にユーザーの集中エリアに最適なIRS配置がなされた場合に顕著な和スループット向上を達成し、IRSビームフォーミングとUAV移動性の相乗効果を示した。

ABSTRACT

In this paper, we consider the application of intelligent reflecting surface (IRS) in unmanned aerial vehicle (UAV)-based orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) communication systems, which exploits both the significant beamforming gain brought by the IRS and the high mobility of UAV for improving the system sum-rate. The joint design of UAV's trajectory, IRS scheduling, and communication resource allocation for the proposed system is formulated as a non-convex optimization problem to maximize the system sum-rate while taking into account the heterogeneous quality-of-service (QoS) requirement of each user. The existence of an IRS introduces both frequency-selectivity and spatial-selectivity in the fading of the composite channel from the UAV to ground users. To facilitate the design, we first derive the expression of the composite channels and propose a parametric approximation approach to establish an upper and a lower bound for the formulated problem. An alternating optimization algorithm is devised to handle the lower bound optimization problem and its performance is compared with the benchmark performance achieved by solving the upper bound problem. Simulation results unveil the small gap between the developed bounds and the promising sum-rate gain achieved by the deployment of an IRS in UAV-based communication systems.

研究の動機と目的

• 遮蔽および視線外（NLOS）リンクによる低和スループットの問題に対処する。
• プログラマブルなチャネル再構成を可能にするインテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を統合し、信号強度と信頼性を向上させる。
• QoS制約の下で、UAVトラジェクトリ、IRS位相シフト、サブキャリア／パワー割り当ての共同最適化問題を定式化し、システムの和スループットを最大化する。
• 合成UAV-地上チャネルにおけるIRSに起因する周波数選択性および空間選択性フェージングを考慮する。
• 非凸最適化問題を効率的に解くために、取り扱い可能な境界と交互最適化アルゴリズムを開発する。

提案手法

• UAVから地上ユーザーへの合成チャネル応答を、周波数および空間選択性を捉えるパラメトリック近似法でモデル化する。
• ユーザーのQoS、送信パワー、IRS位相シフトの制約を含む非凸最適化問題として、和スループット最大化問題を定式化する。
• 統計的チャネルモデリングを用いて和スループットの上界および下界を導出し、取り扱い可能な最適化を可能にする。
• UAVトラジェクトリ、IRS位相シフト、リソース割り当て（サブキャリアおよびパワー）を交互に更新するアルゴリズムを設計し、収束性を向上させる。
• 実際の伝搬状態を想定し、Ricianフェージングチャネルを用いたモンテカルロシミュレーションにより、システム性能を評価する。
• システムアウトージ率を信頼性の指標として用い、最小要件レート未満のレートがシステムアウトージに寄与する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数選択性および空間選択性フェージング下で、IRS配置はUAV-OFDMAシステムの和スループット性能にどのように影響するか？
• RQ2 動的UAV環境下で、IRS位相制御はビームフォーミングゲインおよびシステム信頼性にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 UAVのトラジェクトリとIRS配置の相互作用は、スペクトル効率を最大化するためにどのように働くか？
• RQ4 従来のUAV単体またはベースラインIRS支援システムと比較して、IRS導入はシステム性能をどの程度向上させるか？
• RQ5 システムの和スループットはIRS位置にどの程度敏感であり、最高性能を得るための最適配置場所はどこか？

主な発見

• 提案手法は、UAV移動性とIRSビームフォーミングを活用することで、ベースライン手法と比較して最大30%の和スループット向上を達成した。
• Rician因子が上昇するにつれて平均システムアウトージ率が増加し、特にIRS位相制御が最適化された場合、強い視線（LoS）条件下で信頼性が向上することが示された。
• 高ユーザー密度地域（例：(200, 500) m付近）にIRSを配置することで、最も高い和スループットが達成され、IRS配置が重要な設計パrameterであることを確認した。
• 上界と下界の性能差が小さいことから、パラメトリック近似法がシステム動作を的確に捉えていることが検証された。
• 提案された交互最適化アルゴリズムは安定して収束し、和スループットおよびアウトージ率の両面でベンチマークを上回る近最適性能を達成した。
• IRS位相制御により、Ricianフェージングにおける散乱パスが抑制され、有効なRician因子が向上し、チャネルの決定論的特性と信頼性が向上した。