[论文解读] Enabling Smart Reflection in Integrated Air-Ground Wireless Network: IRS Meets UAV

Changsheng You, Zhenyu Kang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在三维无线网络中将智能反射面（IRS）与无人机（UAV）相结合的创新方法，利用地面IRS增强UAV-地面链路，同时利用搭载在UAV上的IRS（U-IRS）协助地面通信。结果表明，通过联合优化UAV轨迹与IRS波束成形，可将UAV飞行时间减少58%（从11.2秒降至4.8秒），并提升频谱效率，证明了混合IRS-UAV部署在未来的6G网络中的优越性。

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.

研究动机与目标

• 为解决独立UAV和IRS系统在三维无线网络中的局限性，如UAV能耗过高和IRS覆盖范围有限。
• 探索地面IRS与UAV-mounted IRS的互补优势，以增强UAV-地面通信和地面通信性能。
• 设计UAV轨迹、IRS无源波束成形与部署的联合优化框架，以最大化网络性能。
• 在存在遮挡和路径损耗的实际场景中，评估混合IRS-UAV部署的性能增益。

提出的方法

• 提出IRS辅助的UAV通信，其中地面IRS通过创建视 Line-of-Sight（LoS）路径，增强UAV-地面链路，减少UAV需飞近用户的需求。
• 引入U-IRS辅助的地面通信，其中UAV-mounted IRS通过全景反射服务多个地面用户，克服固定IRS的覆盖限制。
• 开发UAV轨迹与IRS相位偏移的联合优化框架，以最大化所有地面用户中的最小速率。
• 采用混合IRS部署模型，包含基站侧U-IRS与用户侧地面IRS，优化两者之间的反射单元分配。
• 采用二值LoS/NLoS信道模型，路径损耗指数分别为2.2（LoS）和3.5（NLoS），以模拟真实的城区传播环境。
• 通过穷举搜索确定最优IRS单元分配（例如N₁=325，N₂=275），以平衡用户速率并提升公平性。

Figure 1: Integrating UAV and IRS in wireless networks.

实验结果

研究问题

• RQ1 地面IRS如何通过减少UAV推进能耗和接入时延来提升UAV-地面通信性能？
• RQ2 与固定IRS相比，部署UAV-mounted IRS（U-IRS）在提升地面用户覆盖方面有何性能增益？
• RQ3 在多用户场景中，UAV轨迹与IRS无源波束成形的联合优化如何提升最大-最小速率？
• RQ4 在公平性与频谱效率之间，U-IRS与地面IRS单元分配的最优权衡是什么？
• RQ5 在城市遮挡环境中，混合IRS部署（U-IRS + 地面IRS）是否优于单一模式的IRS部署？

主要发现

• 所提出的IRS辅助UAV通信将UAV飞行时间减少了58%（从11.2秒降至4.8秒），以实现相同的最大小区速率，这是由于地面IRS增强了覆盖范围。
• 在N₁=325与N₂=275的混合IRS部署中，最大小区速率高于独立的U-IRS或地面IRS部署，这是由于最优单元分配和更低的路径损耗。
• U-IRS部署在30米高度时公平性优于更高海拔的U-IRS，因为较低高度降低了对用户1的路径损耗，同时仍能服务两个用户。
• 仅使用用户侧地面IRS会导致用户间速率差异达10倍，用户1因缺乏LoS链路而速率极低。
• 与最优单模式部署（仅U-IRS）相比，混合策略将最大小区速率提升了20%，证明了空中与地面IRS之间的协同增益。
• UAV轨迹与IRS波束成形的联合优化使UAV能够避免飞近用户，显著降低能耗与延迟。

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