[논문 리뷰] An Energy-efficient Aerial Backhaul System with Reconfigurable Intelligent Surface

Hong-Bae Jeon, Sungho Park외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고고도 플랫폼에 장착된 재구성 가능 지능 표면(RIS)을 사용하여 무인 항공기 기지국(UAV-BS)의 신뢰할 수 있는 선로 간 시선(LoS) 백홀 링크를 가능하게 하는 에너지 효율적인 공중 백홀 시스템을 제안한다. RIS 배치, 어레이 분할 및 위상 이동을 공동으로 최적화함으로써 이 시스템은 이차 복잡도 최적화를 통해 도시 환경에서 장애물이 존재할 경우 기준 대비 뛰어난 에너지 효율성 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel wireless architecture, mounted on a high-altitude aerial platform, which is enabled by reconfigurable intelligent surface (RIS). By installing RIS on the aerial platform, rich line-of-sight and full-area coverage can be achieved, thereby, overcoming the limitations of the conventional terrestrial RIS. We consider a scenario where a sudden increase in traffic in an urban area triggers authorities to rapidly deploy unmanned-aerial vehicle base stations (UAV-BSs) to serve the ground users. In this scenario, since the direct backhaul link from the ground source can be blocked due to several obstacles from the urban area, we propose reflecting the backhaul signal using aerial-RIS so that it successfully reaches the UAV-BSs. We jointly optimize the placement and array-partition strategies of aerial-RIS and the phases of RIS elements, which leads to an increase in energy-efficiency of every UAV-BS. We show that the complexity of our algorithm can be bounded by the quadratic order, thus implying high computational efficiency. We verify the performance of the proposed algorithm via extensive numerical evaluations and show that our method achieves an outstanding performance in terms of energy-efficiency compared to benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 장애물로 인한 도시 지역에서의 신뢰할 수 없는 지상 백홀 링크 문제를 해결하기 위해.
• 공중 플랫폼에 장착된 RIS를 통해 선로 간 시선(LoS) 백홀 링크를 가능하게 하여 UAV-BS의 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• RIS의 위치, 어레이 분할 및 위상 이동을 공동으로 최적화하여 에너지 효율을 극대화하기 위해.
• 동적 도시 환경에서의 실시간 적용 가능성을 확보하기 위해 계산 복잡도를 낮추면서도 높은 성능을 유지하기 위해.

제안 방법

• 고고도 공중 플랫폼에 재구성 가능 지능 표면(RIS)을 설치하여 UAV-BS에 대한 풍부한 선로 간 시선(LoS) 링크를 생성한다.
• 원천에서 최대 비율 전송(MRT) beamforming을 사용하여 RIS 반사 경로를 통해 신호를 UAV-BS 방향으로 정렬한다.
• 비볼록 제약 조건 하에 RIS 위치, 어레이 분할 및 위상 이동을 공동으로 최적화하여 에너지 효율을 극대화한다.
• 비볼록 다목적 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 이차 복잡도 알고리즘을 적용한다.
• 최적의 RIS 요소 분할을 유도하기 위해 카룩-쿤-터커(KKT) 조건을 활용한 이중 분해 방법을 사용한다.
• 전력 및 데이터 전송률 제약 조건 하에 최적의 RIS 분할 크기를 구하는 입체근 기반 폐형 해법을 사용한다.

Figure 1: Proposed UAV-BS access network with aerial-RIS backhaul link. The source is equipped with $M$ directional antennas and sends the backhaul signal to $M_{0}$ UAV-BSs. The RIS is assumed to be implemented on a voluminous aerial platform placed at an altitude of $H$ , and reflects the backhaul

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공중 플랫폼에 장착된 RIS가 도시 UAV-BS 배치에서 백홀 신뢰성과 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 RIS 위치, 어레이 분할 및 위상 이동의 공동 최적화가 시스템의 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 최적화 프레임워크의 계산 복잡도는 얼마이며, 실시간 적용 가능성을 보장하기 위해 상한을 설정할 수 있는가?
• RQ4 장애물 조건 하에서 제안된 공중-RIS 시스템이 지상 RIS 및 직접 백홀과 비교해 에너지 효율성에서 어떤 성능을 보이는가?
• RQ5 RIS 어레이 분할 및 위상 이동 설계가 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 공중-RIS 시스템은 특히 고장벽 확률이 높은 도시 환경에서 기준 기술 대비 뛰어난 에너지 효율성을 달성한다.
• RIS의 위치, 어레이 분할 및 위상 이동을 공동으로 최적화함으로써 특정 데이터 전송률을 확보하기 위한 전송 전력 요구량이 크게 감소한다.
• 알고리즘의 계산 복잡도는 이차 순서로 제한되어 있어 효율적인 실시간 구현이 가능하다.
• 공중-RIS의 등방성 반사 능력 덕분에 UAV-BS가 공중에 있을 경우를 포함한 3차원 전역 커버리지를 지원한다.
• 수치적 평가 결과, 제안된 방법은 직접 백홀 및 지상 RIS 솔루션보다 에너지 효율성 면에서 뛰어나다.
• 최적의 RIS 분할은 입체근 표현 기반 폐형 해법을 통해 유도되어 빠른 수렴을 보장한다.

Figure 2: Passive beamforming gain $g$ and the region of full/sub-array structure. If the sin-AoD deviation exceeds the HPBW of the beamforming gain with full-array structure, we apply the sub-array structure to include the deviated point.