[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Aided Multiple Access: Capacity Region and Deployment Strategy

Shuowen Zhang, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 8

一句话总结

本文研究了智能反射面（IRS）辅助的两用户多址接入信道的容量区域，比较了分布式与集中式IRS部署方案。推导出分布式部署的闭式容量区域，并提出一种基于速率轮廓的优化方法，以表征集中式部署的可实现速率区域，证明集中式部署在性能上严格优于分布式部署，尤其在用户速率需求不对称时表现更优。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a new promising technology that is able to manipulate the wireless propagation channel via smart and controllable signal reflection. In this paper, we investigate the capacity region of a multiple access channel (MAC) with two users sending independent messages to an access point (AP), aided by $M$ IRS reflecting elements. We consider two practical IRS deployment strategies that lead to different user-AP effective channels, namely, the distributed deployment where the $M$ reflecting elements form two IRSs, each deployed in the vicinity of one user, versus the centralized deployment where all the $M$ reflecting elements are deployed in the vicinity of the AP. For the distributed deployment, we derive the capacity region in closed-form; while for the centralized deployment, we derive a capacity region outer bound and propose an efficient rate-profile based method to characterize an achievable rate region (or capacity region inner bound). Furthermore, we compare the capacity regions of the two cases and draw useful insights into the optimal deployment of IRS in practical systems.

研究动机与目标

• 表征由智能反射表面（IRS）增强的两用户多址接入信道（MAC）的容量区域。
• 从可实现速率区域的角度，比较IRS部署策略——分布式（IRS靠近用户）与集中式（IRS靠近接入点）的性能差异。
• 为集中式IRS部署下的容量区域表征开发高效的计算方法。
• 为实际多用户系统中IRS的最优部署策略提供理论洞见。

提出的方法

• 通过使用最优相位偏移对齐两个用户的等效信道，推导出分布式IRS部署情况下的闭式容量区域。
• 提出一种基于速率轮廓的优化框架，利用凸优化技术计算集中式IRS部署下的可实现速率区域（内界）。
• 利用信息论不等式，为集中式部署建立容量区域的外界。
• 提出一种启发式反射系数设计，基于分布式情况下的最优系数，并增加额外的相位旋转以对准接入点处的信号。
• 采用双通道假设来建模分布式情况下的信道统计特性，以实现分析上的可处理性。
• 通过采用实际路径损耗和瑞利衰落模型的数值仿真验证理论结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 当反射单元分布在用户附近时，两用户MAC与IRS结合的容量区域的确切形式是什么？
• RQ2 在可实现速率方面，集中式IRS部署的容量区域与分布式部署相比如何？
• RQ3 能否开发一种计算高效的算法，用于表征集中式IRS部署下的可实现速率区域？
• RQ4 在何种条件下，集中式IRS部署在容量区域方面优于分布式部署？
• RQ5 用户之间的速率不对称性如何影响集中式IRS部署的性能增益？

主要发现

• 分布式IRS部署的容量区域以闭式形式表征，实现了精确的性能分析。
• 对于集中式IRS部署，提出了一种基于速率轮廓的方法，可高效计算可实现速率区域（内界），数值结果表明所提边界的紧致性。
• 理论分析证明，在实际系统设置下，集中式部署的容量区域严格包含分布式部署的容量区域，证实了其优越性。
• 数值结果表明，当两个用户具有不对称的速率需求时，集中式部署的容量增益最为显著。
• 使用分布式情况最优系数并引入相位旋转的启发式方案，性能显著劣于所提出的基于速率轮廓的设计，验证了优化框架的有效性。
• 集中式部署的外界被证明是紧致的，确认了内界计算的准确性。