[论文解读] UAV-Assisted Intelligent Reflecting Surface Symbiotic Radio System

Meng Hua, Luxi Yang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 56被引用 14

一句话总结

本文提出了一种UAV辅助的智能反射面（IRS）协同辐射系统，通过联合优化UAV轨迹、IRS相位偏移和IRS调度，最小化加权和误码率（BER），同时满足主用户速率约束。一种基于松弛的算法确保了二值调度解的生成而无需重构，一种基于惩罚的算法解决了公平性优化问题，通过基站的相干信号合并实现了更高的频谱效率和可靠的通信。

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.

研究动机与目标

• 设计一种UAV辅助的IRS协同辐射系统，通过IRS的开关状态实现无源波束成形和信息传输。
• 通过联合优化UAV轨迹、IRS相位偏移和IRS调度，最小化多个IRS的加权和BER。
• 在满足最小主用户速率要求的同时，通过优化无源波束成形确保UAV传输的可靠性。
• 当基于松弛的方法无法满足速率约束时，通过开发基于惩罚的算法实现BER性能的公平性优化。
• 通过数值结果验证所提设计方案，与基准方案在多种系统配置下进行对比。

提出的方法

• 提出一种基于松弛的算法以求解加权和BER最小化问题，其中松弛后的调度变量可收敛至二值解而无需重构。
• 推导出最优IRS相位偏移矩阵的闭式解，通过对齐UAV-IRS-BS与UAV-BS直射链路的信号相位，实现在基站的相干信号合并。
• 通过Lagrangian松弛将问题转化为对偶形式，实现时隙内子问题的并行求解。
• 针对公平性优化，将二值约束重述为等式约束，并开发基于惩罚的算法以获得次优解。
• 将UAV轨迹优化作为联合设计的一部分，针对每个IRS调整相位偏移以最大化相长信号合并。
• 理论分析证明，最优相位偏移可确保信号对齐并最大化IRS反射速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 UAV辅助的IRS系统如何联合优化轨迹、相位偏移和调度以最小化加权和BER？
• RQ2 基于松弛的优化能否在无需重构的情况下获得二值调度解，并确保满足UAV速率约束？
• RQ3 IRS无源波束成形对提升UAV传输可靠性和频谱效率有何影响？
• RQ4 当基于松弛的方法无法满足最小主用户速率要求时，如何实现BER性能的公平性？
• RQ5 在UAV-IRS-BS链路中，何种最优相位偏移配置可实现在基站的相干信号合并？

主要发现

• 基于松弛的算法成功生成了无需重构的二值调度变量，确保UAV速率约束自动满足。
• 最优IRS相位偏移矩阵通过对齐UAV-IRS-BS与UAV-BS直射链路的信号相位，实现相干信号合并，最大化相长干扰。
• 基于惩罚的算法在主用户速率约束未满足时，能克服基于松弛方法的局限性，实现BER公平性优化的次优解。
• 数值结果表明，所提联合优化方案在BER性能和频谱效率方面显著优于基准方案。
• 闭式相位偏移解被证明可最大化IRS反射速率，并在基站实现最优信号合并。
• 通过利用UAV移动性和IRS无源波束成形，系统显著增强了主链路和次链路的通信可靠性。