[论文解读] Cooperative Double-IRS Aided Communication: Beamforming Design and Power Scaling

Yitao Han, Shuowen Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 11被引用 13

一句话总结

本文提出一种协作双智能反射面（IRS）系统，通过联合波束成形使两个智能反射面（IRSs）实现 𝒪(K⁴) 的功率增益，显著优于单个IRS的 𝒪(K²) 增益。通过将IRS间信道建模为视 Line-of-Sight（LoS）信道，并联合优化无源波束成形器，系统通过双重反射实现高阶信号增强，仿真结果验证了其性能，并进一步扩展至Rician衰落信道模型。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising technology to support high performance wireless communication. By adaptively configuring the reflection amplitude and/or phase of each passive reflecting element on it, the IRS can reshape the electromagnetic environment in favour of signal transmission. This letter advances the existing research by proposing and analyzing a double-IRS aided wireless communication system. Under the reasonable assumption that the reflection channel from IRS 1 to IRS 2 is of rank 1 (e.g., line-of-sight channel), we propose a joint passive beamforming design for the two IRSs. Based on this, we show that deploying two cooperative IRSs with in total K elements can yield a power gain of order O(K^4), which greatly outperforms the case of deploying one traditional IRS with a power gain of order O(K^2). Our simulation results validate that the performance of deploying two cooperative IRSs is significantly better than that of deploying one IRS given a sufficient total number of IRS elements. We also extend our line-of-sight channel model to show how different channel models affect the performance of the double-IRS aided wireless communication system.

研究动机与目标

• 研究在直射通信被阻断的双反射无线链路中部署两个协作IRS时的性能增益。
• 设计两个IRS的联合无源波束成形，以在总反射元件数为K的条件下最大化信号功率。
• 表征双IRS系统的功率扩展规律，并与单IRS部署进行比较。
• 分析信道模型（特别是LoS与Rician衰落）对波束成形性能和系统鲁棒性的影响。

提出的方法

• 基于两个IRS之间的几何关系，将IRS 1到IRS 2的信道建模为秩-1的LoS信道。
• 推导出两个IRS的闭式无源波束成形器，以对齐双反射路径（基站 → IRS 1 → IRS 2 → 用户），从而最大化信号功率。
• 采用联合波束成形设计，其中IRS 1将能量波束对准IRS 2上的单个元件，而IRS 2则在其所有元件上相干合并信号。
• 应用功率扩展分析，表明当两个IRS联合优化时，总接收信号功率按 𝒪(K⁴) 规律扩展。
• 通过在IRS间信道中引入LoS分量和Rayleigh散射分量，将LoS模型扩展至Rician衰落模型。
• 将双IRS系统在不同Rician因子（τ）下的性能与具有相似总元件数的基准单IRS系统进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 与具有相同总反射元件数的单个IRS相比，使用两个协作IRS所能实现的最大功率增益是多少？
• RQ2 两个IRS的联合无源波束成形设计如何利用双反射路径实现更高的信号强度？
• RQ3 IRS间信道模型（LoS与Rician衰落）对联合波束成形设计性能有何影响？
• RQ4 随着Rician衰落因子τ减小，双IRS系统的性能如何退化，原因是什么？
• RQ5 为何单IRS系统对信道模型变化具有鲁棒性，而双IRS系统对非LoS分量敏感？

主要发现

• 部署两个协作IRS并使用总共K个元件时，可实现 𝒪(K⁴) 的功率增益，相比相同元件数下单IRS的 𝒪(K²) 增益，增益呈二次方提升。
• 当K = 1600时，双IRS系统中将元件数从800加倍至1600，接收信噪比（SNR）提升约12 dB，而单IRS系统仅提升约6 dB，验证了 𝒪(K⁴) 与 𝒪(K²) 的增益规律。
• 当K较大时（如K ≥ 1600），双IRS系统在接收SNR方面显著优于单IRS系统；但当K较小时，由于波束成形损耗，优势不明显。
• 在Rician衰落信道下，随着Rician因子τ减小，双IRS系统的性能下降，因为联合波束成形器假设信道为秩-1，而信道秩增加时该假设失效。
• 单IRS系统对信道模型变化不敏感，因其波束成形器对齐的是平均信道幅度，而非依赖于特定的低秩结构。
• 仿真结果证实，为确保IRS之间视 Line-of-Sight（LoS）而进行的最优IRS部署，对于在协作双IRS系统中实现理论 𝒪(K⁴) 功率增益至关重要。