[论文解读] Wireless Communication Aided by Intelligent Reflecting Surface: Active or Passive?

Changsheng You, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 8

一句话总结

本文比较了无线通信中主动与被动智能反射面（IRS）的性能，通过优化IRS部署以最大化频谱效率。结果表明，在反射单元数量较多或放大功率较低时，经优化部署后，被动IRS优于主动IRS，尤其在上下行链路联合场景中，因其具有更简单、更稳健的部署策略。

ABSTRACT

In this letter, we consider an intelligent reflecting surface (IRS)-aided wireless communication system, where an active or passive IRS is employed to assist the communication between an access point and a user. First, we consider the downlink/uplink communication separately and optimize the IRS placement for rate maximization with an active or passive IRS. We show that the active IRS should be deployed closer to the receiver with the IRS's decreasing amplification power; while in contrast, the passive IRS should be deployed near either the transmitter or receiver. Moreover, with optimized IRS placement, the passive IRS is shown to outperform its active counterpart when the number of reflecting elements is sufficiently large and/or the active-IRS amplification power is too small. Next, we optimize the IRS placement for both active and passive IRSs to maximize the weighted sum-rate of uplink and downlink communications. We show that in this case, the passive IRS is more likely to achieve superior rate performance. This is because the optimal active-IRS placement needs to balance the rate performance in the uplink and downlink, while deploying the passive IRS near the transmitter or receiver is optimal regardless of the uplink or downlink.

研究动机与目标

• 研究在优化部署条件下，被动或主动IRS在频谱效率方面表现更优。
• 分析在下行链路与上行链路通信中，IRS类型、反射单元数量与放大功率之间的权衡关系。
• 确定在联合上行-下行系统中能最大化加权和速率的最优IRS部署位置。
• 评估IRS高度与功率预算对主动与被动IRS配置下速率性能的影响。

提出的方法

• 针对主动与被动IRS，建立下行链路与上行链路速率最大化问题，假设为视 Line-of-Sight (LoS) 信道且用户为单天线。
• 通过一维搜索优化IRS部署位置（AP的水平距离），以最大化主动与被动IRS的频谱效率。
• 推导被动IRS下可实现速率的闭式表达式（波束成形增益 ∝ N²），以及主动IRS下（放大增益 ∝ N）的闭式表达式。
• 基于路径损耗最小化与信干噪比（SINR）分析，采用次优部署近似方法。
• 在相同反射单元数量与功率预算下，评估不同下行链路权重与IRS高度下的加权和速率性能，对比主动与被动IRS。
• 进行数值仿真，采用真实参数：N = 400–600 个单元，H = 1.5 m，f = 0.75 GHz，P_A = 20 dBm，P_U = 15 dBm，σ² = -80 dBm。

实验结果

研究问题

• RQ1 在反射单元数量固定时，IRS部署位置如何影响主动与被动IRS的下行链路速率性能？
• RQ2 在何种条件下，尽管主动IRS具备信号放大能力，被动IRS仍能在频谱效率方面优于主动IRS？
• RQ3 在联合上行-下行通信中，主动与被动IRS的最优IRS部署位置有何差异？
• RQ4 IRS高度对主动与被动IRS系统速率性能有何影响？
• RQ5 加权和速率如何随下行链路权重变化？在上下行链路需求均衡时，哪种IRS类型性能更优？

主要发现

• 在仅下行链路通信中，当放大功率降低时，主动IRS应部署得更靠近用户，以平衡路径损耗与放大增益。
• 经优化部署后，当 N ≥ 300 且 P_F = 5 dBm，或 N ≥ 250 且 P_F = 0 dBm 时，被动IRS的下行链路速率高于主动IRS，原因在于其更优的 N² 波束成形增益。
• 在联合上行-下行系统中，当下行链路权重较高时，被动IRS优于主动IRS，因为被动IRS在靠近发射端或接收端部署时，对两条链路均最优。
• 最优主动IRS部署需在上行与下行性能之间权衡，导致在权重均衡时产生速率损失；而被动IRS具有统一的最优部署位置，无此问题。
• 提高IRS高度会显著降低被动IRS性能，而主动IRS对高度不敏感，表明被动IRS更适合低空部署。
• 次优主动IRS部署方法能较好逼近最优解，尤其在高放大功率时，验证了其在实际部署中的可行性。