[论文解读] Performance Analysis of Distributed Intelligent Reflective Surfaces for Wireless Communications

Diluka Galappaththige, Dhanushka Kudathanthirige+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 9

一句话总结

本文针对无线通信中分布式智能反射面（IRS）的性能进行了分析，推导了在Nakagami-m衰落信道下中断概率、可实现速率和符号错误率的闭式近似表达式。结果表明，通过相位控制反射实现波束成形，分布式无源IRS可在无需射频链路的情况下实现全分集增益与阵列增益，显著提升频谱效率与系统可靠性。

ABSTRACT

In this paper, a comprehensive performance analysis of a distributed intelligent reflective surfaces (IRSs)-aided communication system is presented. First, the optimal signal-to-noise ratio (SNR), which is attainable through the direct and reflected channels, is quantified by controlling the phase shifts of the distributed IRS. Next, this optimal SNR is statistically characterized by deriving tight approximations to the exact probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) for Nakagami-$m$ fading. The accuracy/tightness of this statistical characterization is investigated by deriving the Kullback-Leibler divergence. Our PDF/CDF analysis is used to derive tight approximations/bounds for the outage probability, achievable rate, and average symbol error rate (SER) in closed-form. To obtain useful insights, the asymptotic outage probability and average SER are derived for the high SNR regime. Thereby, the achievable diversity order and array gains are quantified. Our asymptotic performance analysis reveals that the diversity order can be boosted by using distributed passive IRSs without generating additional electromagnetic (EM) waves via active radio frequency chains. Our asymptotic rate analysis shows that the lower and upper rate bounds converge to an asymptotic limit in large reflective element regime. Our analysis is validated via Monte-Carlo simulations. We present a rigorous set of numerical results to investigate the performance gains of the proposed system model. Our analytical and numerical results reveal that the performance of single-input single-output wireless systems can be boosted by recycling the EM waves generated by a transmitter through distributed passive IRS reflections to enable constructive signal combining at a receiver.

研究动机与目标

• 分析分布式智能反射面（IRS）通过可控相位移波束成形增强信噪比（SNR）的性能。
• 推导在Nakagami-m衰落信道下，直射与反射链路端到端SNR分布的紧密统计近似。
• 以闭式表达式量化关键性能指标——中断概率、可实现速率与平均符号错误率（SER），以支持实际系统设计。
• 研究相位移量化误差与空间相关衰落对系统可靠性与性能的影响。
• 建立高SNR下的渐近性能极限，包括分集阶数与阵列增益，以评估系统的可扩展性与鲁棒性。

提出的方法

• 通过联合控制多个分布式IRS的相位偏移，推导出在接收端实现最大波束成形增益的最优SNR。
• 采用拉普拉斯变换与矩生成函数（MGF）技术，对Nakagami-m衰落信道下端到端SNR的概率密度函数（PDF）与累积分布函数（CDF）进行近似。
• 应用泰勒级数展开与渐近分析方法，对低SNR区域的PDF与CDF进行建模，从而推导出中断与SER的表达式。
• 基于高SNR下SNR分布的渐近特性，推导出中断概率与平均SER的闭式表达式。
• 提出IRS处空间相关衰落的统计模型，并量化相位移量化误差带来的性能退化。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析结果，确认在多种信道条件下近似结果的准确性与紧密性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有多个无源反射单元的可控相位偏移分布式IRS辅助系统中，可实现的最优SNR是多少？
• RQ2 在Nakagami-m衰落信道下，端到端SNR的PDF与CDF如何表现？能否实现紧密的闭式近似？
• RQ3 在高SNR区域，渐近中断概率与平均SER是多少？系统可实现的分集增益与阵列增益如何？
• RQ4 相位移量化误差与空间相关衰落对实际IRS部署中系统性能有何影响？
• RQ5 无源IRS在不使用射频链路或额外电磁波生成的情况下，能在多大程度上提升频谱效率与可靠性？

主要发现

• 系统实现的分集阶数为 $ m_s N L + m_u $，其中 $ m_s $、$ m_u $ 为衰落参数，$ N $、$ L $ 分别为IRS数量与每个IRS的反射单元数，且无需使用主动射频链路。
• 渐近中断概率按 $ ar{ ho}^{-G_d} $ 衰减，其中 $ G_d = m_s N L + m_u $，证实了分布式无源IRS可实现全分集增益。
• 在反射单元数量较多时，可实现速率收敛至一个紧密的渐近极限，其上下界趋近于同一值。
• 相位移量化误差与空间相关衰落会降低系统性能，但由于IRS的无源特性与波束成形增益，系统仍具有较强鲁棒性。
• 平均符号错误率（SER）的分集增益为 $ G_d = m_s N L + m_u $，其渐近SER按 $ ar{ ho}^{-G_d} $ 衰减，证实了在高SNR下系统的鲁棒性。
• 蒙特卡洛仿真验证了分析近似的准确性，确认所推导的PDF、CDF、中断概率与SER表达式在各种系统配置下均具有紧密性。