[论文解读] Modeling and Architecture Design of Intelligent Reflecting Surfaces using Scattering Parameter Network Analysis.

Shanpu Shen, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新型智能反射面（IRS）架构，采用分组连接和全连接可重构阻抗网络，并通过严格的散射参数网络分析进行建模，以实现高效的电磁建模。与传统的单连通网络相比，该方法可将接收信号功率提高最多62%，或减少21%的IRS元件数量；在真实的衰落和路径损耗条件下，性能提升最高可达48%。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surfaces (IRSs) are an emerging technology for future wireless communication. The vast majority of recent research on IRS has focused on system level optimizations. However, developing straightforward and tractable electromagnetic (EM) models that are suitable for IRS aided communication modeling remains an open issue. In this paper, we address this issue and derive communication models by using rigorous scattering parameter network analysis. We also propose new IRS architectures based on group and fully connected reconfigurable impedance networks, which are more general and more efficient than conventional single connected reconfigurable impedance network. In addition, the scaling law of the received signal power of an IRS aided system with reconfigurable impedance networks is also derived. Compared with the single connected reconfigurable impedance network, our group and fully connected reconfigurable impedance network can increase the received signal power by up to 62%, or maintain the same received signal power with a number of IRS elements reduced by up to 21%. We also investigate the proposed architecture in deployments with distance-dependent pathloss and Rician fading channel, and show that the proposed group and fully connected reconfigurable impedance networks outperform the single connected case by up to 34% and 48%, respectively.

研究动机与目标

• 解决无线通信系统中智能反射面（IRS）可重构阻抗网络缺乏可处理的电磁模型的问题。
• 开发超越传统单连通可重构阻抗网络的更通用、更高效的IRS架构。
• 推导可重构阻抗网络在IRS辅助系统中接收信号功率的扩展规律。
• 在包含距离相关路径损耗和Rician衰落的真实传播条件下评估所提出的架构性能。

提出的方法

• 利用严格的散射参数网络分析，对具有可重构阻抗网络的IRS电磁行为进行建模。
• 基于分组连接和全连接可重构阻抗网络设计新型IRS架构，以增强信号控制能力。
• 推导接收信号功率与IRS元件数量及阻抗配置关系的扩展规律。
• 将推导出的模型应用于分析路径损耗和Rician衰落信道下的系统性能。
• 比较不同网络拓扑结构下的性能指标，如接收信号功率和所需元件数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过散射参数分析，为使用可重构阻抗网络的IRS辅助无线通信系统建立可处理的电磁模型？
• RQ2 将单连通网络替换为分组连接或全连接可重构阻抗网络后，可实现哪些架构改进？
• RQ3 在不同阻抗网络配置下，接收信号功率如何随IRS元件数量变化？
• RQ4 在真实信道条件下（包括路径损耗和Rician衰落），所提出的架构性能如何？

主要发现

• 所提出的分组连接可重构阻抗网络相比传统单连通设计，可将接收信号功率提高最多62%。
• 在相同接收信号功率条件下，分组连接架构可将所需的IRS元件数量减少最多21%。
• 全连接架构在Rician衰落信道中相比单连通情况，性能增益最高可达48%。
• 在距离相关路径损耗和Rician衰落条件下，所提出的架构分别比单连通设计性能提升最高达34%和48%。
• 推导出的扩展规律可准确预测基于IRS尺寸和阻抗配置的信号功率。