[논문 리뷰] UAV-Assisted Intelligent Reflecting Surface Symbiotic Radio System

Meng Hua, Luxi Yang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 28.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 56인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 주파수 제약 조건 하에 가중치 합 비트 오류율(BER)을 최소화하기 위해 드론(UAV) 궤도, IRS 위상 시프트, IRS 스케줄링을 공동 최적화하는 UAV 보조 지능형 반사 표면(IRS) 공생 라디오 시스템을 제안한다. 이론적 해법 기반 알고리즘은 재구성 없이 이진 스케줄링 해를 확보하며, 보상 기반 방법은 공정성 최적화를 해결하여 기지국에서의 일관된 신호 합산을 통해 향상된 스펙트럼 효율성과 신뢰성 있는 통신을 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates a symbiotic unmanned aerial vehicle (UAV)-assisted intelligent reflecting surface (IRS) radio system, where the UAV is leveraged to help the IRS reflect its own signals to the base station, and meanwhile enhance the UAV transmission by passive beamforming at the IRS. First, we consider the weighted sum bit error rate (BER) minimization problem among all IRSs by jointly optimizing the UAV trajectory, IRS phase shift matrix, and IRS scheduling, subject to the minimum primary rate requirements. To tackle this complicated problem, a relaxation-based algorithm is proposed. We prove that the converged relaxation scheduling variables are binary, which means that no reconstruct strategy is needed, and thus the UAV rate constraints are automatically satisfied. Second, we consider the fairness BER optimization problem. We find that the relaxation-based method cannot solve this fairness BER problem since the minimum primary rate requirements may not be satisfied by the binary reconstruction operation. To address this issue, we first transform the binary constraints into a series of equivalent equality constraints. Then, a penalty-based algorithm is proposed to obtain a suboptimal solution. Numerical results are provided to evaluate the performance of the proposed designs under different setups, as compared with benchmarks.

연구 동기 및 목표

• UAV 보조 IRS 공생 라디오 시스템을 설계하여, IRS의 케이스 온/오프 상태를 통해 수동 빔포밍과 정보 전달을 가능하게 한다.
• UAV 궤도, IRS 위상 시프트, IRS 스케줄링을 공동 최적화하여 다중 IRS 간 가중치 합 BER를 최소화한다.
• UAV 전송 신뢰성을 확보하면서 최소 주파수 요구사항을 충족시키기 위해 최적화된 수동 빔포밍을 통해 주파수 제약 조건을 만족시킨다.
• 이론적 해법 기반 방법이 주파수 제약 조건을 충족시키지 못할 경우, 보상 기반 알고리즘을 개발하여 BER 성능의 공정성을 확보한다.
• 다양한 시스템 설정에서 기준 대비 성능을 수치 결과로 검증한다.

제안 방법

• 가중치 합 BER 최소화 문제를 해결하기 위해 이론적 해법 기반 알고리즘을 제안하며, 이론적 해법을 통해 스케줄링 변수가 재구성 없이 이진 값으로 수렴한다.
• 기지국에서 일관된 신호 합산을 가능하게 하기 위해 UAV-IRS-BS 및 UAV-BS 직접 링크의 위상이 일치하도록 닫힌 형식의 최적 IRS 위상 시프트 행렬을 유도한다.
• 라그랑주 이론적 해법을 사용하여 문제를 이중 형식으로 변환함으로써 각 타임슬롯 별로 병렬적으로 하위 문제를 해결할 수 있도록 한다.
• 공정성 최적화를 위해 이진 제약 조건을 등식 제약 조건으로 재구성하고, 부분 최적 해를 확보하기 위해 보상 기반 알고리즘을 개발한다.
• UAV 궤도는 공동 설계의 일부로 최적화되며, 각 IRS 별로 위상 시프트가 조정되어 구성적 신호 합산을 극대화한다.
• 이론적 분석을 통해 최적의 위상 시프트가 신호 정렬을 보장하고 IRS 반사 속도를 극대화함을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 보조 IRS 시스템은 궤도, 위상 시프트, 스케줄링을 공동 최적화하여 가중치 합 BER를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 이론적 해법 기반 최적화는 재구성 없이 이진 스케줄링 해를 도출할 수 있으며, UAV 주파수 제약 조건을 충족시키는가?
• RQ3 IRS 수동 빔포밍은 UAV 전송 신뢰성과 스펙트럼 효율성을 향상시키는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이론적 해법 기반 방법이 최소 주파수 요구사항을 충족시키지 못할 경우 BER 성능의 공정성을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ5 UAV-IRS-BS 링크에서 기지국에서의 일관된 신호 합산을 가능하게 하는 최적의 위상 시프트 설정은 무엇인가?

주요 결과

• 이론적 해법 기반 알고리즘이 재구성 없이 이진 스케줄링 변수를 성공적으로 생성하며, UAV 주파수 제약 조건이 자동으로 충족됨을 보여준다.
• 최적의 IRS 위상 시프트 행렬은 UAV-IRS-BS 및 UAV-BS 직접 링크의 신호 위상을 일치시켜 구성적 간섭을 극대화함으로써 일관된 신호 합산을 가능하게 한다.
• 보상 기반 알고리즘은 이론적 해법 기반 방법이 주파수 제약 조건을 충족시키지 못할 경우 공정성 BER 최적화를 위한 부분 최적 해를 확보한다.
• 수치 결과는 제안된 공동 최적화가 기준 대비 성능에 비해 BER 성능과 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킴을 보여준다.
• 닫힌 형식의 위상 시프트 해법이 IRS 반사 속도를 극대화하고 기지국에서 최적의 신호 합산을 달성함을 증명한다.
• UAV 이동성과 IRS 수동 빔포밍을 활용하여 주요 및 보조 전송 링크를 모두 향상시켜 신뢰성 있는 통신을 달성한다.