[论文解读] How to Deploy Intelligent Reflecting Surfaces in Wireless Network: BS-side, User-side, or Both Sides?

Changsheng You, Beixiong Zheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2020

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering被引用 17

一句话总结

本文提出了一种混合智能反射面（IRS）部署策略，结合基站（BS）侧和用户侧IRS，以最大化网络性能。通过实现协作式被动波束成形和灵活的用户-IRS关联，该混合方法在IRS孔径尺寸较大时表现出更优的最小速率性能，由于双反射链路带来的覆盖增强和波束成形增益，其性能优于单侧部署。

ABSTRACT

The performance of wireless communication systems is fundamentally constrained by the random and uncontrollable wireless channel. By leveraging the recent advance in digitally-controlled metasurface, intelligent reflecting surface (IRS) has emerged as a promising solution to enhance the wireless network performance by smartly reconfiguring the radio propagation environment. Despite the substantial research on IRS-aided communications, this article addresses the important issue of how to deploy IRSs in a wireless network to achieve its optimum performance. We first compare the two conventional strategies of deploying IRS at the side of base station or distributed users in terms of various communication performance metrics, and then propose a new hybrid IRS deployment strategy by combining their complementary advantages. Moreover, the main challenges in optimizing IRS deployment as well as their promising solutions are discussed. A case study is also presented to compare the performance of different IRS deployment strategies and draw useful insights for practical design.

研究动机与目标

• 解决在无线网络中部署智能反射面（IRS）以最大化性能的关键设计挑战。
• 在覆盖范围、波束成形增益和信令开销方面，对比传统的单侧IRS部署（基站侧或用户侧）。
• 提出一种新颖的混合IRS部署策略，结合两种单侧方法的互补优势。
• 分析混合IRS部署中的关键优化挑战，包括用户-IRS关联、信道估计和反射单元分配。
• 在各种网络条件下，提供混合IRS部署相对于单侧策略的性能增益的定量洞察。

提出的方法

• 提出一种包含基站侧和用户侧IRS的混合IRS部署模型，以支持协作式被动波束成形。
• 引入联合优化框架，用于IRS-用户关联和反射单元分配，以最大化系统的最小速率（min-rate）。
• 采用双反射链路模型，利用经由基站侧和用户侧IRS反射的信道增益。
• 通过穷举搜索确定最优用户-IRS关联，并对比不同IRS部署配置下的性能表现。
• 采用考虑路径损耗、相位偏移和IRS辅助无线系统中信道统计特性的信号模型。
• 通过3用户场景的数值评估，比较不同总反射单元数（M）下的部署策略性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在覆盖范围和最小速率方面，基站侧IRS部署的性能与用户侧IRS部署相比如何？
• RQ2 在实际无线网络中，单侧IRS部署（基站侧或用户侧）的主要优势和局限性是什么？
• RQ3 结合基站侧和用户侧IRS的混合IRS部署策略是否能实现优于单侧部署的性能？
• RQ4 反射单元数量（M）如何影响不同IRS部署策略的性能增益？
• RQ5 在混合IRS部署中，双反射链路（经由两个IRS）对可实现速率和系统公平性有何影响？

主要发现

• 在所有测试配置中，混合IRS部署策略实现了最高的最小速率，尤其当总反射单元数M超过1200时表现更优。
• 当M < 1000时，基站侧IRS部署优于混合策略，因其具有更强的单次反射链路；但当M > 1200时，混合策略超越基站侧部署。
• 随着M增加，用户侧IRS部署的性能提升有限，因为许多用户仍处于单个IRS的局部覆盖范围之外。
• 混合策略可确保所有用户至少被一个IRS服务，消除了单侧部署中存在的覆盖盲区。
• 用户2通过双反射链路获得更高阶的被动波束成形增益，从而实现系统内更灵活的速率均衡。
• 通过利用IRS间协作波束成形，混合部署在M较大时实现了显著的性能增益。