[论文解读] Relay Aided Intelligent Reconfigurable Surfaces: Achieving the Potential Without So Many Antennas

Ying Xiaoyan, Umut Demirhan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用 35

一句话总结

提出一种中继辅助的 IRS 架构，由通过全双工中继连接的两个表面组成，在在保持频谱效率提升的同时减少所需的反射单元数量。

ABSTRACT

This paper proposes a novel relay-aided intelligent reconfigurable surface (IRS) architecture for future wireless communication systems. The proposed architecture, which consists of two side-by-side intelligent surfaces connected via a full-duplex relay, has the potential of achieving the promising gains of intelligent surfaces while requiring much smaller numbers of reflecting elements. Consequently, the proposed IRS architecture needs significantly less channel estimation and beam training overhead and provides higher robustness compared to classical IRS approaches. Further, thanks to dividing the IRS reflection process over two surfaces, the position and orientation of these surfaces can be optimized to extend the wireless communication coverage and enhance the system performance. In this paper, the achievable rates and required numbers of elements using the proposed relay-aided IRS architecture are first analytically characterized and then evaluated using numerical simulations. The results show that the proposed architecture can achieve the data rate targets with much smaller numbers of elements compared to typical IRS solutions, which highlights a promising path towards the practical deployment of these intelligent surfaces.

研究动机与目标

• 激发并设计一种中继辅助的智能可重构表面（IRS）架构，以克服经典 IRS 部署的实际挑战。
• 在 AF 和 DF 中继下，量化所提出架构的可实现速率和所需的元件数量。
• 为发射机/接收机–IRS 链路以及中继–IRS 链路开发混合近场/远场信道模型。
• 在频谱效率和元件需求方面，将所提出的中继辅助 IRS 与标准 IRS 和中继系统进行比较。
• 提供部署洞察与指南，以在更少的反射元件下实现目标速率。

提出的方法

• 引入一个具有全双工中继的两 IRS 架构，其中 IRS 1 将信号从发射机反射到中继，IRS 2 将信号从中继反射到接收机。
• 推导用于复合发射/IRS 与 IRS/中继信道的近场/远场混合信道模型。
• 推导用于带有 AF 和 DF 中继的中继辅助 IRS 的闭式可实现速率。
• 提供界限和表达式，用以估计达到目标速率所需的元件数量。
• 通过在 3.5 GHz 和 60 GHz 的数值仿真评估性能，以与经典 IRS 和单一中继设置进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 与经典 IRS 和简单中继相比，使用中继辅助的 IRS 架构可以取得哪些增益？
• RQ2 在 AF 和 DF 中继下，为实现目标速率需要多少反射元件？
• RQ3 如何对发射机–IRS–中继–IRS–接收机信道进行建模，以捕捉混合近场和远场效应？
• RQ4 双表面中继辅助 IRS 设计的频谱效率极限及实际部署影响是什么？

主要发现

• 中继辅助的 IRS 能在显著更少的反射元件下实现比经典 IRS 更高的频谱效率。
• DF 中继的中继辅助 IRS 在所示设置中产生的速率高于 AF，但代价是更高的复杂度和延迟。
• 该架构由于减少元件数量，能够实现宽波束并相较于大规模元件 IRS 提高鲁棒性。
• 中继两侧的两块表面便于部署，提高覆盖扩展的潜力，缓解遮挡问题。
• 解析表达式和界表明，中继辅助 IRS 能在使用较少元件的情况下提供与大量元件的大 IRS 相当的增益。
• 60 GHz 的仿真结果显示，相较于经典 IRS，在达到目标速率时对所需元件数量有显著降低。