[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Aided Multi-User Communication: Capacity Region and Deployment Strategy

Shuowen Zhang, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 36被引用 6

一句话总结

本文研究了智能反射面（IRS）辅助的两用户上行链路与下行链路通信系统的容量区域，比较了集中式与分布式IRS部署策略。通过上行链路-下行链路对偶性推导出可实现的速率区域，并表明在对称信道条件下，集中式部署通常优于分布式部署，由于相位偏移优化和信道利用更优，可提供更高的用户速率。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a new promising technology that is able to reconfigure the wireless propagation channel via smart and passive signal reflection. In this paper, we investigate the capacity region of a two-user communication network with one access point (AP) aided by $M$ IRS elements for enhancing the user-AP channels, where the IRS incurs negligible delay, thus the user-AP channels via the IRS follow the classic discrete memoryless channel model. In particular, we consider two practical IRS deployment strategies that lead to different effective channels between the users and AP, namely, the distributed deployment where the $M$ elements form two IRSs, each deployed in the vicinity of one user, versus the centralized deployment where all the $M$ elements are deployed in the vicinity of the AP. First, we consider the uplink multiple-access channel (MAC) and derive the capacity/achievable rate regions for both deployment strategies under different multiple access schemes. It is shown that the centralized deployment generally outperforms the distributed deployment under symmetric channel setups in terms of achievable user rates. Next, we extend the results to the downlink broadcast channel (BC) by leveraging the celebrated uplink-downlink (or MAC-BC) duality framework, and show that the superior rate performance of centralized over distributed deployment also holds. Numerical results are presented that validate our analysis, and reveal new and useful insights for optimal IRS deployment in wireless networks.

研究动机与目标

• 表征IRS辅助的两用户多址接入与广播信道的容量区域。
• 从可实现速率的角度，比较集中式与分布式IRS部署策略的性能。
• 在多用户场景下，优化IRS反射系数以实现频谱效率与能量效率的最大化。
• 为未来6G网络中的最优IRS部署提供设计洞见。

提出的方法

• 利用上行链路-下行链路（MAC-BC）对偶性，将上行链路多址接入信道（MAC）的结果扩展至下行链路广播信道（BC）。
• 在不同多址接入方案下，推导集中式与分布式IRS部署的容量区域。
• 应用凸优化技术求解反射系数设计问题，确保相位偏移被优化以实现最大速率。
• 提出迭代算法，通过速率复用与功率分配优化计算容量区域的内界。
• 采用松弛的凸优化问题公式化方法，结合单位模约束，高效求解最优IRS相位偏移。
• 通过数学证明表明，最优反射系数始终具有单位模，从而简化优化设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在两用户系统中，集中式IRS部署与分布式部署在可实现速率区域方面有何差异？
• RQ2 在最优相位偏移设计下，IRS辅助的两用户多址接入信道（MAC）的容量区域是什么？
• RQ3 上行链路-下行链路对偶性框架是否可应用于IRS辅助的广播信道，以推导等效的容量区域？
• RQ4 在对称信道条件下，集中式IRS部署相比分布式部署的性能增益如何？
• RQ5 不同的IRS部署策略如何影响多用户无线系统的频谱效率与可靠性？

主要发现

• 在对称信道设置下，由于更好的信道利用，集中式IRS部署相比分布式部署可实现更高的用户速率。
• 与分布式部署相比，IRS辅助的MAC在集中式部署下具有严格更大的容量区域。
• 上行链路-下行链路对偶性框架成功地将上行链路MAC结果扩展至下行链路BC，保持了相同的速率区域结构。
• 最优IRS反射系数始终具有单位模，这简化了设计并确保了最大信号增益。
• 数值结果证实，集中式部署在高信噪比（SNR）区域显著提升了频谱效率。
• 所提出的迭代算法收敛至容量区域的可行内界，展示了其实际适用性。