Intelligent reflecting surface (IRS) can be densely deployed in complex environment to create cascaded line-of-sight (LoS) paths between multiple base stations (BSs) and users via tunable IRS reflections, thereby significantly enhancing the coverage performance of wireless networks. To achieve this goal, it is vital to optimize the deployed locations of BSs and IRSs in the wireless network, which is investigated in this paper. Specifically, we divide the coverage area of the network into multiple non-overlapping cells and decide whether to deploy a BS/IRS in each cell given a total number of BSs/IRSs available. We show that to ensure the network coverage/communication performance, i.e., each cell has a direct/cascaded LoS path with at least one BS, as well as such LoS paths have the average number of IRS reflections less than a given threshold, there is a fundamental trade-off with the deployment cost or the number of BSs/IRSs needed. To optimally characterize this trade-off, we formulate a joint BS and IRS deployment problem based on graph theory, which, however, is difficult to be optimally solved due to the combinatorial optimization involved. To circumvent this difficulty, we first consider a simplified problem with given BS deployment and propose the optimal as well as an efficient suboptimal IRS deployment solution to it, by applying the branch-and-bound method and iteratively removing IRSs from the candidate locations, respectively. Next, an efficient sequential update algorithm is proposed for solving the joint BS and IRS deployment problem. Numerical results are provided to show the efficacy of the proposed design approach and optimization algorithms for the joint BS and IRS deployment. The trade-off between the network coverage performance and the number of deployed BSs/IRSs with different cost ratios is also unveiled.


翻译:智能反射面(IRS)可以在复杂环境中密集部署,通过可调节的IRS反射创建多个基站(BS)和用户之间的级联直射路径,从而显著增强无线网络的覆盖性能。为了实现这个目标,优化BS和IRS在无线网络中的部署位置至关重要,本文对此进行了探讨。具体而言,我们将网络的覆盖区域划分为多个非重叠的单元格,并在给定可用BS和IRS总数的情况下决定是否在每个单元格中部署BS/IRS。我们表明为了确保网络覆盖/通信性能,即每个单元格都具有与至少一个BS的直接/间接直射路径,以及这样的直射路径具有平均IRS反射数小于给定阈值,部署成本或所需BS/IRS数是存在根本权衡的。为了最佳地描述这种权衡,我们基于图论制定了关于BS和IRS的联合部署问题,然而由于涉及组合优化,该问题很难得到最优解。为了克服这一困难,我们首先考虑一个简化的问题,即在给定BS部署的情况下,提出了对其的最优和高效次优IRS部署解,分别采用分支定界和迭代地从候选位置中去除IRS的方法。接下来,我们提出了一种高效的顺序更新算法,用于解决联合BS和IRS部署问题。给出了数值结果,证明了所提出的设计方法和优化算法对联合BS和IRS部署的有效性。也揭示了不同成本比下网络覆盖性能和部署BS/IRS数量之间的权衡。

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