[论文解读] Power Efficiency, Overhead, and Complexity Tradeoff in IRS-Assisted Communications -- Quadratic Phase-Shift Design

Vahid Jamali, Marzieh Najafi+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种智能反射面（IRS）的二次相移设计，以在小码本尺寸下实现卓越的功率效率，克服码本大小、开销与复杂性之间的权衡。通过将相移建模为IRS上位置的二次函数，该方法仅用25种模式即可实现全角度覆盖，其在功率效率方面优于线性和DFT基码本设计，即使在码本尺寸极小的情况下亦是如此。

ABSTRACT

In this paper, we focus on large intelligent reflecting surfaces (IRSs) and propose a new codebook construction method to obtain a set of predesigned phase-shift configurations for the IRS unit cells. Since the overhead for channel estimation and the complexity of online optimization for IRS-assisted communications scale with the size of the phase-shift codebook, the design of small codebooks is of high importance. We show that there exists a fundamental tradeoff between power efficiency and the size of the codebook. We first analyze this tradeoff for baseline designs that employ a linear phase-shift across the IRS. Subsequently, we show that an efficient design for small codebooks mandates higher-order phase-shift variations across the IRS. Consequently, we propose a quadratic phase-shift design, derive its coefficients as a function of the codebook size, and analyze its performance. Our simulation results show that the proposed design yields a higher power efficiency for small codebooks than the linear baseline designs.

研究动机与目标

• 解决IRS辅助通信中功率效率、码本大小与系统复杂性之间的基本权衡。
• 克服现有线性和DFT基相移码本的局限性，后者为实现足够覆盖需依赖大码本尺寸。
• 为大规模IRS设计紧凑而高效的相移码本，以减少信道估计开销与在线优化复杂性。
• 在极小码本尺寸下实现全角度覆盖，同时保持高功率效率，以支持实际部署。
• 为所提出的二次相移设计建立IRS响应函数的闭式解析模型。

提出的方法

• 提出一种二次相移设计，其中IRS上的相移被建模为位置的二次函数，从而实现高阶波前整形。
• 推导二次相位函数的系数，作为期望码本尺寸的函数，以确保最优波束成形增益与覆盖范围。
• 提出远场条件下IRS响应函数的闭式近似，以实现高效性能分析。
• 采用发射模式模型，将离线码本设计与在线信道自适应解耦，降低实时计算复杂度。
• 通过蒙特卡洛仿真，将所提设计与基线线性及DFT基码本在随机入射角与反射角下进行对比。
• 通过平均信道增益的倒数 $\mathrm{E}_{\boldsymbol{\Psi}_i,\boldsymbol{\Psi}_r}\{\gamma^{-1}(\boldsymbol{\Psi}_i,\boldsymbol{\Psi}_r)\}$ 分析功率效率与码本大小之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRS辅助系统中，码本大小与功率效率之间的基本权衡是什么？
• RQ2 更高阶的相移变化（超越线性）是否能以更小的码本实现更优的波束成形性能？
• RQ3 所提出的二次相移设计在角度覆盖与功率效率方面相较于线性和DFT基码本表现如何？
• RQ4 在所提出的二次相移设计下，IRS的解析响应函数是什么？
• RQ5 所提设计能否在显著减小码本尺寸的情况下实现接近理想性能？

主要发现

• 所提出的二次相移设计仅需25个码本条目即可实现10λ×10λ IRS的全角度覆盖，而线性基线设计即使使用100个模式也无法覆盖某些角度。
• 当码本尺寸低于100时，线性设计在响应函数中出现深度凹陷，导致因依赖旁瓣而功率效率低下。
• DFT基设计虽提供高功率效率，但需使用大码本（400个模式），在实时系统中不切实际。
• 即使在极小码本尺寸下，所提设计的功率效率也接近理论理想极限。
• IRS响应函数的解析近似与数值结果高度吻合，验证了数学模型的准确性。
• 在保持码本尺寸不变的前提下增大IRS尺寸，可提升主瓣增益而不扭曲波束形状，证实了设计的可扩展性。