空中智能反射面：基于三维波束扁平化的联合部署与无源波束成形设计
信号处理
2020-11-30 v2
摘要
本文提出了一种由空中 IRS (AIRS) 赋能的新型三维 (3D) 无线无源中继系统。相比传统地面 IRS，AIRS 因其高海拔而更具部署灵活性，并能实现更广范围的信号反射，从而更可能与地面源/目的节点建立视距 (LoS) 链路。具体而言，我们通过联合优化源节点的发射波束成形、AIRS 的部署位置以及其三维无源波束成形，旨在最大化目标区域内所有位置的最坏情况信噪比 (SNR)。所构造的问题为非凸因而难以求解。为获取有用见解，我们首先考虑在给定目标位置最大化 SNR 的特殊情形，并给出了闭式最优解。结果表明，最优的水平 AIRS 部署位置仅取决于源—目的地距离与 AIRS 高度之比。随后针对 AIRS 赋能区域覆盖的一般情形，我们提出一种高效解法：将 AIRS 无源波束成形设计解耦以最大化最坏情况阵列增益，并将其部署优化解耦以平衡由此产生的角度跨度和级联信道路径损耗。我们所提方案基于一种新颖的三维波束拓宽与扁平化技术，其中 AIRS 的无源阵列被划分为适当大小的子阵列，并设计其相移以形成具有可调波束宽度、适配覆盖区域大小的扁平波束方向图。我们的设计同时考虑了基于均匀线阵 (ULA) 与均匀平面阵 (UPA) 的 AIRS，分别实现二维 (2D) 与三维 (3D) 无源波束成形。数值结果表明，所提设计相较基准方案取得了显著的性能增益。
引用
@article{arxiv.2007.13295,
title = {Aerial Intelligent Reflecting Surface: Joint Placement and Passive Beamforming Design with 3D Beam Flattening},
author = {Haiquan Lu and Yong Zeng and Shi Jin and Rui Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2007.13295},
year = {2020}
}
备注
16 pages