[论文解读] Intelligent Omni-Surface: Ubiquitous Wireless Transmission by Reflective-Transmissive Metasurface

Shuhang Zhang, Hongliang Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用 16

一句话总结

本文提出智能全向表面（IOS），一种可重构智能表面，能够同时实现无线信号的反射与透射，为表面两侧的用户提供服务，显著扩展了传统智能反射表面（IRS）的覆盖范围。通过联合优化多天线基站的相位移与波束成形，IOS在有利条件下相较IRS实现了高达2倍的容量增益，理论与仿真结果均证实其具备更优的覆盖范围与频谱效率。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS), which is capable to adjust propagation conditions by controlling phase shifts of the reflected waves that impinge on the surface, has been widely analyzed for enhancing the performance of wireless systems. However, the reflective properties of widely studied IRSs restrict the service coverage to only one side of the surface. In this paper, to extend the wireless coverage of communication systems, we introduce the concept of intelligent omni-surface (IOS)-assisted communication. More precisely, IOS is an important instance of reconfigurable intelligent surface (RIS) that is capable to provide service coverage to the mobile users (MUs) in a reflective and a transmissive manner. We consider a downlink IOS-assisted communication system, where a multi-antenna small base station (SBS) and an IOS perform beamforming jointly, to improve the received power of multiple MUs on both sides of the IOS, through different reflective/transmissive channels. To maximize the sum-rate, we formulate a joint IOS phase shift design and SBS beamforming optimization problem, and propose an iterative algorithm to solve the resulting non-convex program efficiently. Both theoretical analysis and simulation results show that an IOS significantly extends the service coverage of the SBS when compared to an IRS.

研究动机与目标

• 为解决传统智能反射表面（IRS）仅能服务信号源同侧用户所导致的单向覆盖受限问题。
• 通过实现反射与透射双重功能，将无线服务覆盖扩展至表面两侧的用户。
• 设计一种联合优化框架，用于IOS的相位移与基站波束成形，以最大化系统容量。
• 通过理论分析与实验验证，证明IOS在多用户下行链路场景中相较IRS具备更优的覆盖范围与频谱效率。

提出的方法

• 提出一种具有可编程PIN二极管的反射-透射超表面架构，用于控制入射信号的反射与透射。
• 建立下行链路系统模型，采用多天线小型基站（SBS）与IOS，通过独立的反射与透射信道为两侧用户服务。
• 建立非凸优化问题，联合设计IOS相位移与SBS波束成形以实现容量最大化。
• 提出一种迭代算法，通过交替优化与连续凸逼近方法高效求解非凸优化问题。
• 通过容量函数的导数分析，推导出反射与透射信号之间最优功率分配的理论条件。
• 通过理论分析与仿真验证系统模型，包括在对称与非对称用户部署下与IRS的对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种可重构超表面，通过反射与透射同时为表面两侧用户提供服务？
• RQ2 联合优化IOS相位移与基站波束成形相较于传统IRS如何提升容量？
• RQ3 在多用户下行链路系统中，IOS相较IRS的容量增益理论上限是多少？
• RQ4 反射与透射信号之间的最优功率比如何依赖于用户信道条件？
• RQ5 用户位置对称性对IOS相较IRS的性能增益有何影响？

主要发现

• 在信号功率较高且用户信道增益平衡的渐近条件下，所提出的IOS相较传统IRS可实现高达2倍的容量增益。
• 理论分析证明，当反射与透射信号的功率比根据用户相对信道增益设定时，容量达到最大。
• 仿真结果证实，IOS显著扩展了服务覆盖范围，使表面两侧用户均可实现可靠通信。
• 所提迭代算法收敛迅速，在相位移分辨率有限的实际场景中仍能实现接近最优的容量性能。
• 当用户信道增益对称时，反射与透射的最优功率分配为1:1，可在平衡条件下最大化容量。
• 无论用户分布或信道条件如何，IOS辅助系统的容量始终被限制在IRS辅助系统容量的两倍以内。