[論文レビュー] UAV-Assisted Intelligent Reflecting Surface Symbiotic Radio System

Meng Hua, Luxi Yang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 56被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、主通信のレート制約のもとで重み付き和誤りビットレート（BER）を最小化するため、UAVの軌道、IRSの位相シフト、およびIRSのスケジューリングを共同最適化するUAV支援型知能反射表面（IRS）共生無線システムを提案する。リラクゼーションに基づくアルゴリズムにより、再構築を伴わずに二値スケジューリング解が保証され、ペナルティに基づく手法により公平性最適化が実現され、基地局におけるコherent信号合成を通じてスペクトル効率が向上し、信頼性の高い通信が可能となる。

ABSTRACT

This paper investigates a symbiotic unmanned aerial vehicle (UAV)-assisted intelligent reflecting surface (IRS) radio system, where the UAV is leveraged to help the IRS reflect its own signals to the base station, and meanwhile enhance the UAV transmission by passive beamforming at the IRS. First, we consider the weighted sum bit error rate (BER) minimization problem among all IRSs by jointly optimizing the UAV trajectory, IRS phase shift matrix, and IRS scheduling, subject to the minimum primary rate requirements. To tackle this complicated problem, a relaxation-based algorithm is proposed. We prove that the converged relaxation scheduling variables are binary, which means that no reconstruct strategy is needed, and thus the UAV rate constraints are automatically satisfied. Second, we consider the fairness BER optimization problem. We find that the relaxation-based method cannot solve this fairness BER problem since the minimum primary rate requirements may not be satisfied by the binary reconstruction operation. To address this issue, we first transform the binary constraints into a series of equivalent equality constraints. Then, a penalty-based algorithm is proposed to obtain a suboptimal solution. Numerical results are provided to evaluate the performance of the proposed designs under different setups, as compared with benchmarks.

研究の動機と目的

• IRSのオン/オフ状態を介した受動ビームフォーミングと情報伝送を可能にするUAV支援型IRS共生無線システムの設計を目的とする。
• UAVの軌道、IRSの位相シフト、およびIRSスケジューリングを共同最適化することで、複数のIRSにおける重み付き和BERを最小化することを目的とする。
• UAVの送信信頼性を確保しつつ、最小主レート要件を満たすために最適化された受動ビームフォーミングを実現することを目的とする。
• リラクゼーションベースの手法がレート制約を満たさない場合に、ペナルティベースのアルゴリズムを用いてBER性能の公平性を達成することを目的とする。
• 提案手法の有効性を、さまざまなシステム構成下でのベンチマーク手法と比較する数値結果を通じて検証することを目的とする。

提案手法

• 重み付き和BER最小化問題を解くために、リラクゼーションベースのアルゴリズムが提案され、緩和されたスケジューリング変数が再構築を伴わずに二値値に収束する。
• 基地局におけるコherent信号合成を可能にするために、UAV-IRS-BS経路とUAV-BS直接リンクからの位相を一致させる閉形式で最適IRS位相シフト行列が導出される。
• ラグランジュリラクゼーションを用いて問題を双対形式に変換し、各タイムスロットごとに部分問題を並列に解くことが可能になる。
• 公平性最適化のため、二値制約を等式制約に再定式化し、部分最適解を取得するためのペナルティベースのアルゴリズムが開発される。
• UAVの軌道は共同設計の一部として最適化され、各IRSごとに位相シフトが調整され、構築的信号合成を最大化する。
• 理論的分析により、最適位相シフトが信号整合を保証し、IRSの反射レートを最大化することが証明される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAV支援型IRSシステムは、どのようにして軌道、位相シフト、スケジューリングを共同最適化し、重み付き和BERを最小化できるか？
• RQ2 リラクゼーションベースの最適化は、再構築を伴わずに二値スケジューリング解を達成できるか？ また、UAVのレート制約を自動的に満たすか？
• RQ3 IRSの受動ビームフォーミングは、UAV送信の信頼性とスペクトル効率にどのような影響を与えるか？
• RQ4 リラクゼーションベースの手法が最小主レート要件を満たさない場合、BER性能の公平性をどのように達成できるか？
• RQ5 UAV-IRS-BSリンクにおいて、基地局でのコherent信号合成を可能にする最適位相シフト設定は何か？

主な発見

• リラクゼーションベースのアルゴリズムにより、再構築を伴わずに二値スケジューリング変数が成功裏に生成され、UAVのレート制約が自動的に満たされる。
• 最適IRS位相シフト行列により、UAV-IRS-BSおよびUAV-BS直接リンクからの信号位相が一致し、コherent信号合成が可能となり、構築的干渉が最大化される。
• ペナルティベースのアルゴリズムにより、主レート制約を満たさないリラクゼーションベース手法の限界を克服し、公平性を考慮したBER最適化の部分最適解が得られる。
• 数値結果により、提案手法の共同最適化が、ベンチマーク手法と比較してBER性能とスペクトル効率の両方を顕著に向上することが示された。
• 閉形式での位相シフト解が、IRSの反射レートを最大化し、基地局での最適信号合成を達成することが理論的に証明された。
• UAVの移動性とIRSの受動ビームフォーミングを活用することで、主リンクおよび副リンクの両方の送信リンクが強化され、信頼性の高い通信が実現された。