[论文解读] Beyond Intelligent Reflecting Surfaces: Reflective-Transmissive Metasurface Aided Communications for Full-dimensional Coverage Extension

Shuhang Zhang, Hongliang Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文提出一种智能全向表面（IOS），可同时实现反射与透射信号传输，从而扩展全向无线覆盖，优于传统智能反射面（IRS）。通过使用分支定界算法联合优化反射与透射路径的相位偏移，IOS实现的频谱效率（SE）最高可达传统蜂窝系统的20倍，且在相同尺寸下相比IRS平均SE提升67%。

ABSTRACT

In this paper, we study an intelligent omni-surface (IOS)-assisted downlink communication system, where the link quality of a mobile user (MU) can be improved with a proper IOS phase shift design. Unlike the intelligent reflecting surface (IRS) in most existing works that only forwards the signals in a reflective way, the IOS is capable to forward the received signals to the MU in either a reflective or a transmissive manner, thereby enhancing the wireless coverage. We formulate an IOS phase shift optimization problem to maximize the downlink spectral efficiency (SE) of the MU. The optimal phase shift of the IOS is analysed, and a branch-and-bound based algorithm is proposed to design the IOS phase shift in a finite set. Simulation results show that the IOS-assisted system can extend the coverage significantly when compared to the IRS-assisted system with only reflective signals.

研究动机与目标

• 为解决智能反射面（IRS）覆盖受限的问题，其仅能反射信号，导致一侧无法覆盖。
• 提出一种新型通信框架，利用可同时反射与透射信号的智能全向表面（IOS）。
• 通过在IOS上优化相位偏移设计，建立并求解最大化频谱效率（SE）的问题。
• 评估IOS在覆盖范围与频谱效率方面相较于IRS和传统蜂窝系统的性能增益。

提出的方法

• 提出一种新型物理模型，用于具有电控元件的IOS，支持同时实现反射与透射信号调控。
• 将信道建模为直射、反射与透射链路的叠加，考虑不同路径损耗与相位偏移的影响。
• 推导包含视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）分量的总信道增益表达式，其中相位偏移仅影响反射与透射路径。
• 建立每个单元最优相位偏移作为几何路径差的函数，以实现与直射链路的相位对齐。
• 设计分支定界算法，在有限集合中搜索最优相位偏移，避免穷举搜索。
• 通过蒙特卡洛仿真，随机部署多用户（MU）以评估平均SE与覆盖范围扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种支持反射与透射的IOS，相较于传统IRS，能否显著提升下行频谱效率？
• RQ2 IOS的相位偏移设计如何影响直射、反射与透射链路的联合增益？
• RQ3 如何为IOS的每个单元确定最优相位偏移，以最大化移动用户在表面两侧的有效信道增益？
• RQ4 IOS尺寸如何影响平均频谱效率与覆盖范围扩展？
• RQ5 在真实室内部署场景中，IOS相较于IRS与仅支持直射链路的蜂窝系统，性能增益如何？

主要发现

• 10×10单元的IOS实现的平均频谱效率约为传统蜂窝系统的20倍。
• 在相同尺寸下，该IOS相比IRS实现平均SE提升67%，归因于双面全表面覆盖。
• 所提出的分支定界算法能高效在有限集合中找到近似最优相位偏移，避免穷举搜索。
• 当每个IOS单元的相位偏移使反射与透射信号与直射LoS路径同相时，频谱效率达到最大。
• 覆盖范围扩展至IOS两侧，而IRS仅服务入射侧用户，因此IOS在支持全向移动用户方面更具优势。
• 随着IOS尺寸增大，频谱效率增长速率减缓，表明在某一单元数量后增益趋于饱和。