[논문 리뷰] Sum-Rate Maximization for IRS-Assisted UAV OFDMA Communication Systems

Zhiqiang Wei, Yuanxin Cai외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 45인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 UAV의 궤도, IRS 위상 시프트, 자원 할당을 공동 최적화하여 합성 데이터 전송률을 최대화하기 위해 지능형 반사 표면(IUS) 지원 UAV OFDMA 시스템을 제안한다. 복합 채널을 파rametric 근사로 모델링하고 교차 최적화를 사용함으로써, 특히 사용자 집중지 근처에 최적의 IRS를 설치할 경우 뚜렷한 합성 전송률 향상을 달성하며, IRS 빔포밍과 UAV 이동성 간의 상호보완성을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we consider the application of intelligent reflecting surface (IRS) in unmanned aerial vehicle (UAV)-based orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) communication systems, which exploits both the significant beamforming gain brought by the IRS and the high mobility of UAV for improving the system sum-rate. The joint design of UAV's trajectory, IRS scheduling, and communication resource allocation for the proposed system is formulated as a non-convex optimization problem to maximize the system sum-rate while taking into account the heterogeneous quality-of-service (QoS) requirement of each user. The existence of an IRS introduces both frequency-selectivity and spatial-selectivity in the fading of the composite channel from the UAV to ground users. To facilitate the design, we first derive the expression of the composite channels and propose a parametric approximation approach to establish an upper and a lower bound for the formulated problem. An alternating optimization algorithm is devised to handle the lower bound optimization problem and its performance is compared with the benchmark performance achieved by solving the upper bound problem. Simulation results unveil the small gap between the developed bounds and the promising sum-rate gain achieved by the deployment of an IRS in UAV-based communication systems.

연구 동기 및 목표

• 그림자 효과와 비선시각(LoS) 링크로 인한 낮은 합성 전송률 문제를 해결한다.
• 프로그래밍 가능한 채널 재구성 기능을 통해 신호 강도와 신뢰성을 향상시키기 위해 지능형 반사 표면(IUS)을 통합한다.
• 사용자 QoS 제약 조건 하에 UAV 궤도, IRS 위상 시프트, 서브대역/전력 할당을 공동 최적화하여 시스템 합성 전송률을 최대화하는 문제를 수립한다.
• 복합 UAV-지상 채널에서 IRS에 의해 유도되는 주파수 선택성 및 공간 선택성 fading을 고려한다.
• 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 실용적인 경계와 교차 최적화 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• UAV에서 지상 사용자로의 복합 채널 응답을 파arametric 근사 방법으로 모델링하여 주파수 및 공간 선택성을 모두 반영한다.
• 사용자 QoS, 전송 전력, IRS 위상 시프트 제약 조건을 포함한 비볼록 최적화 문제로 합성 전송률 최대화 문제를 수립한다.
• 통계적 채널 모델링을 활용해 합성 전송률에 대한 상한 및 하한 경계를 유도하여 최적화의 실용성을 확보한다.
• UAV 궤도, IRS 위상 시프트, 자원 할당(서브대역 및 전력)을 번갈아가며 갱신하는 교차 최적화 알고리즘을 설계하여 수렴성을 향상시킨다.
• 실제 전파 조건을 반영하기 위해 라이케인 fading 채널을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 시스템 성능을 평가한다.
• 장애율 지표를 적용하여 신뢰성을 평가하며, 최소 요구 전송률 이하의 전송률만이 시스템 장애에 기여하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 선택성 및 공간 선택성 fading 조건 하에서 IRS 배치가 UAV-OFDMA 시스템의 합성 전송률 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 동적 UAV 환경에서 IRS 위상 제어가 빔포밍 이득과 시스템 신뢰성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 UAV의 궤도가 IRS 설치 위치와 어떻게 상호작용하여 스펙트럼 효율을 최대화하는가?
• RQ4 기존의 UAV 전용 또는 기본적인 IRS 지원 시스템에 비해 IRS 설치가 시스템 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 합성 전송률이 IRS 위치에 얼마나 민감한가? 최적의 성능을 얻기 위한 최적의 설치 위치는 어디인가?

주요 결과

• 제안된 IRS 지원 UAV 시스템은 UAV 이동성과 IRS 빔포밍을 동시에 활용함으로써 기존 기준 대비 최대 30% 높은 합성 전송률 향상을 달성한다.
• Rician 인자 증가에 따라 평균 시스템 장애율이 증가함에 따라, 특히 최적의 IRS 위상 제어가 이루어질 경우 선시각(LoS) 조건에서 신뢰성이 향상됨을 확인하였다.
• 고밀도 사용자 지역(예: (200, 500) m) 근처에 IRS를 설치할 경우 합성 전송률이 가장 높게 나타나, IRS 위치가 핵심 설계 매개변수임을 입증하였다.
• 상한 및 하한 경계 간 성능 격차가 작아, 파arametric 근사 방법이 시스템 동작을 효과적으로 반영하고 있음을 검증하였다.
• 제안된 교차 최적화 알고리즘은 안정적으로 수렴하며, 합성 전송률 및 장애율 지표 모두에서 벤치마크를 능가하는 근사 최적 성능을 달성하였다.
• IRS 위상 제어가 라이케인 fading에서 산란 경로를 억제하여 효과적인 Rician 인자를 증가시키며, 채널의 결정성과 신뢰성을 향상시킨다.