[논문 리뷰] Aerial Intelligent Reflecting Surface: Joint Placement and Passive Beamforming Design with 3D Beam Flattening

Haiquan Lu, Yong Zeng외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 38인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 전송 beamforming, AIRS 위치 결정 및 3D 수동 beamforming을 공동으로 설계하여 목표 영역에서 최악의 경우 신호 대 잡음비(SNR)를 최대화하기 위한 공동 최적화 프레임워크를 제안한다. 또한, 하위 어레이를 사용하여 3D beam 확산 및 평탄화 기법을 도입하여 커버리지 영역 전반에서 균일한 어레이 이득을 달성하였으며, 기준 기법 대비 최대 30 dB의 SNR 향상을 이룬다.

ABSTRACT

This paper proposes a new three-dimensional (3D) wireless passive relaying system enabled by aerial IRS (AIRS). Compared to the conventional terrestrial IRS, AIRS enjoys more deployment flexibility as well as wider-range signal reflection, thanks to its high altitude and thus more likelihood of establishing line-of-sight (LoS) links with ground source/destination nodes. Specifically, we aim to maximize the worst-case signal-to-noise ratio (SNR) over all locations in a target area by jointly optimizing the transmit beamforming for the source node and the placement as well as 3D passive beamforming for the AIRS. The formulated problem is non-convex and thus difficult to solve. To gain useful insights, we first consider the special case of maximizing the SNR at a given target location, for which the optimal solution is obtained in closed-form. The result shows that the optimal horizontal AIRS placement only depends on the ratio between the source-destination distance and the AIRS altitude. Then for the general case of AIRS-enabled area coverage, we propose an efficient solution by decoupling the AIRS passive beamforming design to maximize the worst-case array gain, from its placement optimization by balancing the resulting angular span and the cascaded channel path loss. Our proposed solution is based on a novel 3D beam broadening and flattening technique, where the passive array of the AIRS is divided into sub-arrays of appropriate size, and their phase shifts are designed to form a flattened beam pattern with adjustable beamwidth catering to the size of the coverage area. Both the uniform linear array (ULA)-based and uniform planar array (UPA)-based AIRSs are considered in our design, which enable two-dimensional (2D) and 3D passive beamforming, respectively. Numerical results show that the proposed designs achieve significant performance gains over the benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 배치 유연성과 커버리지 범위에서의 제한을 겪는 지상 IRS의 문제점을 해결하기 위해 항공 IRS(AIRS) 시스템을 제안한다.
• 신호 강도와 설치 제약 조건을 고려하여 3D 공간에서 목표 영역 전반의 최악의 경우 SNR를 최대화한다.
• 향상된 영역 커버리지 달성을 위해 전송 beamforming, AIRS 위치 결정 및 3D 수동 beamforming을 공동 최적화한다.
• 목표 영역 전반에서 균일한 어레이 이득을 가능하게 하는 기법을 개발한다.
• 기존의 1D beamforming 및 고정 위치 기반 설계 대비 제안된 설계의 우수성을 입증한다.

제안 방법

• 전송 beamforming, AIRS 위치 결정 및 3D 수동 beamforming을 공동으로 사용하여 3D 목표 영역에서 최악의 경우 SNR를 최대화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 하위 어레이를 활용하여 최적화된 위상 이동을 적용함으로써 3D beam 확산 및 평탄화 기법을 도입하여 균일하고 조절 가능한 beam폭을 생성한다.
• 최적화를 두 단계로 분리한다: beam 설계를 통한 최악의 경우 어레이 이득 최대화, 그리고 최적의 AIRS 위치 결정을 위한 각도 범위와 경로 손실 균형 조절.
• 2차원 및 3차원 beamforming을 각각 위한 균일 선형 어레이(ULA) 및 균일 평면 어레이(UPA) 구성에 기법을 적용한다.
• 단일 위치 SNR 최대화 특수 케이스에 대해 닫힌 형태의 해를 유도하였으며, 최적의 수평 위치 결정이 원천-목적지 거리 대 고도 비율에만 의존한다는 것을 보여준다.
• 수치 최적화 및 시뮬레이션을 통해 제안된 공동 설계의 성능 향상을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원천, 목적지 및 IRS 고도 간 기하학적 관계에 따라 항공 IRS의 최적 수평 위치는 어떻게 달라지나?
• RQ2 3D 목표 영역 전반에서 균일한 신호 강도를 달성하고 최악의 경우 SNR 열화를 최소화하는 beamforming 전략은 무엇인가?
• RQ3 기존의 1D beamforming에 비해 3D beam 확산 및 평탄화 기법은 어레이 이득과 커버리지 균일성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고정 또는 기준 위치 기반 설계 대비 공동 위치 결정 및 beamforming 최적화의 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 제안된 beamforming 기법은 하위 어레이 위상 제어를 통해 대규모 커버리지 영역에서 근접한 균일한 어레이 이득을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 최적의 수평 AIRS 위치 결정은 원천-목적지 거리 대 IRS 고도 비율에만 의존하며, 단일 위치 SNR 최대화의 경우 닫힌 형태로 유도되었다.
• 제안된 3D beam 확산 및 평탄화 기법은 목표 영역 내 모든 위치에서 약간의 어레이 이득을 균일하게 달성하여 균일한 성능을 가능하게 한다.
• UPA 기반 AIRS에서 제안된 기법은 기준 1D beamforming 대비 최악의 경우 SNR에서 최대 30 dB 향상을 달성하였으며, 특히 대규모 커버리지 영역에서 두드러진다.
• 최적화된 AIRS 위치 결정은 기준 중심 위치 기반 설계 대비 뚜렷한 성능 향상을 보였으며, 공동 최적화의 중요성을 입증한다.
• UPA 기반 AIRS는 제안된 beamforming 기법을 통해 ULA 기반 AIRS와 유사한 성능을 달성한 반면, 탈활성 기반 기준 기법은 성능이 열 劣하고 어레이 어플레터에 더 민감하게 반응한다.
• 제안된 방법은 전체 커버리지 영역에서 높은 어레이 이득을 유지하여 SNR 변동을 감소시키고, 동적 또는 복잡한 환경에서의 신뢰성을 향상시킨다.