[论文解读] Aerial Intelligent Reflecting Surface: Joint Placement and Passive Beamforming Design with 3D Beam Flattening

Haiquan Lu, Yong Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 38被引用 15

一句话总结

该论文提出了一种针对空中智能反射面（AIRS）的联合优化框架，通过联合设计波束成形、AIRS位置部署和3D无源波束成形，以最大化目标区域内的最坏情况信噪比（SNR）。该方法提出了一种新颖的基于子阵列的3D波束展宽与展平技术，实现了覆盖区域内均匀的阵列增益，相较于基准方案，信噪比增益最高可达30 dB。

ABSTRACT

This paper proposes a new three-dimensional (3D) wireless passive relaying system enabled by aerial IRS (AIRS). Compared to the conventional terrestrial IRS, AIRS enjoys more deployment flexibility as well as wider-range signal reflection, thanks to its high altitude and thus more likelihood of establishing line-of-sight (LoS) links with ground source/destination nodes. Specifically, we aim to maximize the worst-case signal-to-noise ratio (SNR) over all locations in a target area by jointly optimizing the transmit beamforming for the source node and the placement as well as 3D passive beamforming for the AIRS. The formulated problem is non-convex and thus difficult to solve. To gain useful insights, we first consider the special case of maximizing the SNR at a given target location, for which the optimal solution is obtained in closed-form. The result shows that the optimal horizontal AIRS placement only depends on the ratio between the source-destination distance and the AIRS altitude. Then for the general case of AIRS-enabled area coverage, we propose an efficient solution by decoupling the AIRS passive beamforming design to maximize the worst-case array gain, from its placement optimization by balancing the resulting angular span and the cascaded channel path loss. Our proposed solution is based on a novel 3D beam broadening and flattening technique, where the passive array of the AIRS is divided into sub-arrays of appropriate size, and their phase shifts are designed to form a flattened beam pattern with adjustable beamwidth catering to the size of the coverage area. Both the uniform linear array (ULA)-based and uniform planar array (UPA)-based AIRSs are considered in our design, which enable two-dimensional (2D) and 3D passive beamforming, respectively. Numerical results show that the proposed designs achieve significant performance gains over the benchmark schemes.

研究动机与目标

• 为解决地面智能反射面（IRS）在部署灵活性和覆盖范围方面的局限性，提出一种空中IRS（AIRS）系统。
• 在考虑信号强度和部署约束的前提下，最大化三维空间中目标区域的最坏情况SNR。
• 通过联合优化发射波束成形、AIRS位置部署和3D无源波束成形，提升区域覆盖性能。
• 开发一种波束展宽与展平技术，实现在目标区域内的均匀阵列增益。
• 展示所提设计方案相较于传统1D波束成形和固定位置部署方案的优越性。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，通过联合优化发射波束成形、AIRS位置部署和3D无源波束成形，以最大化三维目标区域内的最坏情况SNR。
• 通过将AIRS划分为子阵列并优化其相位偏移，提出一种3D波束展宽与展平技术，以生成均匀且可调的波束宽度。
• 将优化问题分解为两个阶段：首先通过波束设计最大化最坏情况阵列增益，其次通过平衡角度跨度与路径损耗实现最优AIRS位置部署。
• 将该技术应用于均匀线阵（ULA）和均匀平面阵（UPA）配置，分别实现二维和三维波束成形。
• 推导出单点SNR最大化的特殊情况下的闭式解，表明最优水平位置仅取决于源-目的地距离与高度的比值。
• 采用数值优化与仿真方法验证所提联合设计的性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 空中IRS的最优水平位置如何依赖于源、目的地与IRS高度之间的几何关系？
• RQ2 何种波束成形策略可实现在三维目标区域内的均匀信号强度，从而最小化最坏情况下的SNR退化？
• RQ3 与传统1D波束成形相比，3D波束展宽与展平技术在阵列增益和覆盖均匀性方面表现如何？
• RQ4 与固定位置或基准位置部署方案相比，联合位置与波束成形优化能带来多大的性能增益？
• RQ5 所提出的波束成形技术能否通过子阵列相位控制，在大范围覆盖区域内实现近似均匀的阵列增益？

主要发现

• 最优水平AIRS位置仅取决于源-目的地距离与IRS高度的比值，且在单点SNR最大化的特殊情况下，该关系以闭式形式推导得出。
• 所提出的3D波束展宽与展平技术在目标区域内的所有位置均实现了近似相等的阵列增益，从而实现了均匀的性能表现。
• 所提方案在UPA型AIRS中，相较于基准1D波束成形，最坏情况SNR最高提升30 dB，尤其在大覆盖区域中优势显著。
• 经优化的AIRS位置部署相较于基准中心位置部署方案实现了显著的性能增益，凸显了联合优化的重要性。
• 采用所提波束成形技术的UPA型AIRS性能与ULA型AIRS相当，而基于停用的基准方案性能更差，且对阵列孔径更敏感。
• 所提方法在整个覆盖区域内保持了较高的阵列增益，降低了SNR波动，提升了在动态或复杂环境中的可靠性。