[논문 리뷰] Enabling Smart Reflection in Integrated Air-Ground Wireless Network: IRS Meets UAV

Changsheng You, Zhenyu Kang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 3차원 무선 네트워크에서 지능형 반사면(IRS)과 무인 항공기(UAV)의 새로운 통합을 제안하며, 지상 IRS를 활용해 UAV-지상 링크를 향상시키고, UAV에 장착된 IRS(U-IRS)를 통해 지상 통신을 지원한다. 결과적으로 UAV 항로와 IRS 복사형 조절을 공동 최적화함으로써 UAV 비행 시간을 58% 감소시켰고(11.2초에서 4.8초로), 스펙트럼 효율성도 향상시켜 향후 6G 네트워크를 위한 하이브리드 IRS-UAV 배치의 우수성을 입증한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) and unmanned aerial vehicle (UAV) have emerged as two promising technologies to boost the performance of wireless communication networks, by proactively altering the wireless communication channels via smart signal reflection and maneuver control, respectively. However, they face different limitations in practice, which restrain their future applications. In this article, we propose new methods to jointly apply IRS and UAV in integrated air-ground wireless networks by exploiting their complementary advantages. Specifically, terrestrial IRS is used to enhance the UAV-ground communication performance, while UAV-mounted IRS is employed to assist in the terrestrial communication. We present their promising application scenarios, new communication design issues as well as potential solutions. In particular, we show that it is practically beneficial to deploy both the terrestrial and aerial IRSs in future wireless networks to reap the benefits of smart reflections in three-dimensional (3D) space.

연구 동기 및 목표

• 단독 UAV 및 IRS 시스템이 3차원 무선 네트워크에서 가지는 한계, 즉 높은 UAV 에너지 소비와 제한된 IRS 커버리지 문제를 해결하기 위해.
• 지상 IRS와 UAV에 장착된 IRS의 상호보완적 이점을 탐색하여 UAV-지상 통신과 지상 통신 모두를 향상시키기 위해.
• 네트워크 성능을 최대화하기 위해 UAV 항로, IRS 수동 복사형 조절 및 배치를 공동 최적화하는 프레임워크를 설계하기 위해.
• 장애물과 경로 손실이 존재하는 실세계 환경에서 하이브리드 IRS-UAV 배치의 성능 향상 효과를 평가하기 위해.

제안 방법

• 지상 IRS를 활용한 UAV 통신을 제안하며, 지상에 설치된 IRS가 라인오브사이트(LoS) 경로를 형성하고 UAV가 사용자에게 가까이 접근할 필요를 줄여 UAV-지상 링크를 향상시킨다.
• U-IRS를 활용한 지상 통신을 도입하며, UAV에 장착된 IRS가 광범위한 반사 방식을 통해 다수의 지상 사용자를 지원함으로써 고정형 IRS의 커버리지 한계를 극복한다.
• 모든 지상 사용자 중 최소 수신률를 최대화하기 위해 UAV 항로와 IRS 위상 조절을 공동 최적화하는 프레임워크를 개발한다.
• BS 측 U-IRS와 사용자 측 지상 IRS를 모두 포함하는 하이브리드 IRS 도입 모델을 사용하며, 이들 사이에 반사 요소 할당을 최적화한다.
• 실제 도시 환경의 전파 특성을 반영하기 위해 경로 손실 지수 2.2(LoS)와 3.5(NLoS)를 사용하는 이진 LoS/NLoS 채널 모델을 적용한다.
• 사용자 간 평균화된 비율과 공정성을 햖스하기 위해 최적의 IRS 요소 할당(예: N₁=325, N₂=275)을 위해 체계적 탐색 기법을 사용한다.

Figure 1: Integrating UAV and IRS in wireless networks.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 IRS는 UAV-지상 통신 성능을 향상시켜 UAV 추진 에너지 소비와 액세스 지연를 줄일 수 있는가?
• RQ2 고정형 IRS와 비교해 UAV에 장착된 IRS(U-IRS)를 도입함으로써 지상 사용자 커버리지에 어떤 성능 향상이 있는가?
• RQ3 UAV 항로와 IRS 수동 복사형 조절을 공동 최적화함으로써 다중 사용자 환경에서 최대 최소 수신률는 어떻게 향상되는가?
• RQ4 공정성과 스펙트럼 효율성 간 최적의 트레이드오프를 위해 U-IRS와 지상 IRS 요소 할당은 어떻게 조절되어야 하는가?
• RQ5 도시 장애물 환경에서 하이브리드 IRS 도입(U-IRS + 지상 IRS)이 단일 모드 IRS 도입보다 우수한 성능을 내는가?

주요 결과

• 제안된 IRS 보조 UAV 통신은 지상 IRS의 커버리지 향상 덕분에 동일한 최대 최소 수신률를 확보하기 위해 UAV 비행 시간을 58% 감소시켰다(11.2초에서 4.8초로).
• N₁=325와 N₂=275로 설정된 하이브리드 IRS 도입은 최적의 요소 할당과 낮은 경로 손실 덕분에 단독 U-IRS 또는 지상 IRS보다 높은 최대 최소 수신률를 달성한다.
• 30m 고도에서 U-IRS를 운영할 경우 더 높은 고도의 U-IRS보다 더 나은 공정성을 확보한다. 저고도에서는 사용자 1로의 경로 손실이 감소하지만 여전히 두 사용자를 모두 서비스할 수 있다.
• 사용자 측 지상 IRS만으로는 사용자 간 수신률 격차가 10배로 벌어지며, 사용자 1은 라인오브사이트(LoS) 링크가 없어 매우 낮은 수신률를 기록한다.
• 하이브리드 전략은 단일 모드 배치 중 최고 성능인 U-IRS 전용 배치 대비 최소 수신률를 20% 향상시켜 공중과 지상 IRS 간의 상호보완적 상호작용을 입증한다.
• UAV 항로와 IRS 복사형 조절을 공동 최적화함으로써 UAV는 사용자 근처로 접근할 필요 없이도 에너지 소비와 지연을 크게 줄일 수 있다.

Figure 2: Typical use cases for IRS-assisted UAV communication.