[論文レビュー] Wireless Communication Aided by Intelligent Reflecting Surface: Active or Passive?

Changsheng You, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、無線通信におけるアクティブ型およびパasive型知能反射汎用表面（IRS）を比較し、スペクトル効率を最大化するようにIRSの配置を最適化する。最適化された配置のもとで、反射素子数が多かったり増幅出力が低かったりする場合には、特に上行リンク・下行リンクを併用する状況では、パasive型IRSがアクティブ型IRSを上回ることが示された。これは、より単純でより頑健な配置戦略のおかげである。

ABSTRACT

In this letter, we consider an intelligent reflecting surface (IRS)-aided wireless communication system, where an active or passive IRS is employed to assist the communication between an access point and a user. First, we consider the downlink/uplink communication separately and optimize the IRS placement for rate maximization with an active or passive IRS. We show that the active IRS should be deployed closer to the receiver with the IRS's decreasing amplification power; while in contrast, the passive IRS should be deployed near either the transmitter or receiver. Moreover, with optimized IRS placement, the passive IRS is shown to outperform its active counterpart when the number of reflecting elements is sufficiently large and/or the active-IRS amplification power is too small. Next, we optimize the IRS placement for both active and passive IRSs to maximize the weighted sum-rate of uplink and downlink communications. We show that in this case, the passive IRS is more likely to achieve superior rate performance. This is because the optimal active-IRS placement needs to balance the rate performance in the uplink and downlink, while deploying the passive IRS near the transmitter or receiver is optimal regardless of the uplink or downlink.

研究の動機と目的

• 最適化された配置のもとで、パasive型IRSとアクティブ型IRSのどちらがより高いスペクトル効率を達成するかを調査すること。
• 下行リンクおよび上行リンク通信における、IRSの種別、反射素子数、増幅出力の間のトレードオフを分析すること。
• 上行リンク・下行リンクを併用するシステムにおける重み付き和スループットを最大化する最適なIRS配置を特定すること。
• IRSの高度と電力予算が、アクティブ型およびパasive型IRS構成におけるスループット性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 視線路（LoS）チャネルを仮定し、ユーザーが単一アンテナを搭載しているものとして、アクティブ型およびパasive型IRSにおける下行リンクおよび上行リンクのスループット最大化問題を定式化する。
• 1次元探索を用いて、アクセスポイント（AP）からの水平距離をIRSの配置として最適化し、アクティブ型およびパasive型IRSの両方においてスペクトル効率を最大化する。
• パasive型IRSにおける実現可能スループットの閉形式表現を導出する（ビームフォーミング利得 ∝ N²）。
• パスロス最小化および信号対インターフェレンス加算ノイズ比（SINR）解析に基づく、近似的な部分最適な配置手法を用いる。
• 同一の素子数および電力予算のもとで、異なる下行リンク重みおよびIRSの高度における重み付き和スループット性能を評価し、アクティブ型およびパasive型IRSを比較する。
• 現実的なパラメータを用いた数値シミュレーションを実施：N = 400–600素子、H = 1.5 m、f = 0.75 GHz、P_A = 20 dBm、P_U = 15 dBm、σ² = -80 dBm。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反射素子数を固定したもとで、アクティブ型とパasive型IRSの両方において、IRSの配置が下行リンクスループット性能に与える影響は何か？
• RQ2 アクティブ型IRSの信号増幅機能を有するにもかかわらず、どのような条件下でパasive型IRSがスペクトル効率において優れているのか？
• RQ3 上行リンク・下行リンクを併用する通信において、アクティブ型およびパasive型IRSの最適なIRS配置はどのように異なるか？
• RQ4 IRSの高度が、アクティブ型およびパasive型IRSシステムのスループット性能に与える影響は何か？
• RQ5 ダウンリンク重みの変化に伴い、アクティブ型およびパasive型IRSシステムの重み付き和スループットはどのように変化するか？また、上行リンクと下行リンクの要件がバランスしている状況で、どちらのIRSタイプがより高い性能を達成するか？

主な発見

• 下行リンク専用通信では、増幅出力が低下するにつれて、アクティブ型IRSはユーザーに近い位置に設置されるべきであり、パスロスと増幅利得のバランスを取る必要があるためである。
• 最適化された配置のもとで、P_F = 5 dBmの場合はN ≥ 300、P_F = 0 dBmの場合はN ≥ 250のとき、パasive型IRSはアクティブ型IRSを上回る下行リンクスループットを達成する。これは、優れたN²ビームフォーミング利得のおかげである。
• 上行リンク・下行リンクを併用するシステムでは、ダウンリンク重みが高くなると、パasive型IRSがアクティブ型IRSを上回る。これは、パasive型IRSが送信機または受信機に近い配置が両リンクで最適であるためである。
• 最適なアクティブ型IRS配置は、上行リンクと下行リンクの性能を両立させる必要があるため、重みがバランスしている場合にスループット損失を生じる。これに対して、パasive型IRSは統一的な最適配置を持つため、同様の損失は生じない。
• IRSの高度を上昇させると、パasive型IRSの性能は顕著に劣化するが、アクティブ型IRSは高度にあまり依存しないため、パasive型IRSは低高度配置に適している。
• 部分最適なアクティブ型IRS配置手法は、特に増幅出力が高い場合に最適解をよく近似しており、実用的であることが裏付けられた。