[论文解读] Intelligent Reflecting Surface-aided URLLC in a Factory Automation Scenario

Hong Ren, Kezhi Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 62被引用 7

一句话总结

本文提出了一种智能反射面（IRS）辅助的传输方案，以增强工厂自动化中超可靠低时延通信（URLLC）的性能，其中短包传输面临高可靠性和低时延的严苛要求。通过推导有限块长下平均数据速率（ADR）和平均译码错误概率（ADEP）的闭式表达式，该研究分析了七种衰落和部署场景下的性能，证明了IRS在短包约束下提升可靠性的有效性。

ABSTRACT

Different from conventional wired line connections, industrial control through wireless transmission is widely regarded as a promising solution due to its reduced cost, increased long-term reliability, and enhanced reliability. However, mission-critical applications impose stringent quality of service (QoS) requirements that entail ultra-reliability low-latency communications (URLLC). The primary feature of URLLC is that the blocklength of channel codes is short, and the conventional Shannon's Capacity is not applicable. In this paper, we consider the URLLC in a factory automation (FA) scenario. Due to densely deployed equipment in FA, wireless signal are easily blocked by the obstacles. To address this issue, we propose to deploy intelligent reflecting surface (IRS) to create an alternative transmission link, which can enhance the transmission reliability. In this paper, we focus on the performance analysis for IRS-aided URLLC-enabled communications in a FA scenario. Both the average data rate (ADR) and the average decoding error probability (ADEP) are derived under finite channel blocklength for seven cases: 1) Rayleigh fading channel; 2) With direct channel link; 3) Nakagami-m fading channel; 4) Imperfect phase alignment; 5) Multiple-IRS case; 6) Rician fading channel; 7) Correlated channels. Extensive numerical results are provided to verify the accuracy of our derived results.

研究动机与目标

• 为解决工厂自动化中短包传输受高可靠性与低时延需求约束的超可靠低时延通信（URLLC）挑战。
• 通过部署智能反射面（IRS）克服工业环境中密集设备和移动物体导致的信号阻塞。
• 在有限块长条件下，为IRS辅助的URLLC系统提供解析性能极限，此时香农容量不再适用。
• 评估各种实际非理想因素（如相位偏移不完美、多IRS和相关信道）对系统可靠性与数据速率的影响。

提出的方法

• 利用随机几何和矩生成函数技术，推导有限块长下IRS辅助URLLC的平均数据速率（ADR）和平均译码错误概率（ADEP）。
• 将接收端的端到端信噪比（SNR）建模为表示直射链路和反射链路的随机变量之和，通过统计信道状态信息（CSI）优化相位偏移。
• 应用中心极限定理（CLT）近似瑞利衰落和莱斯衰落信道的SNR分布，实现可解析的性能分析。
• 推导各种衰落模型（瑞利衰落、Nakagami-m衰落、莱斯衰落）及相位误差模型（包括离散相位偏移）下有效信道增益的精确矩。
• 通过将信道系数建模为相关复高斯随机变量，考虑多IRS和相关信道条件的影响。
• 采用基于矩的近似方法和高信噪比渐近分析评估ADR和ADEP，并通过大量数值仿真验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限块长条件下，IRS的部署如何改善URLLC增强型工厂自动化中的平均数据速率（ADR）和平均译码错误概率（ADEP）？
• RQ2 在瑞利衰落、Nakagami-m衰落和莱斯衰落信道中，IRS辅助URLLC相比直射传输在短包通信中能带来多大的性能增益？
• RQ3 实际非理想因素（如相位对准不完美和离散相位偏移）如何影响IRS辅助URLLC系统的可靠性与频谱效率？
• RQ4 在工厂环境中，多IRS部署与信道空间相关性对系统ADR和ADEP有何影响？
• RQ5 在包括相关信道和相位偏移不完美在内的多种衰落与部署场景中，ADR和ADEP的解析表达式准确性如何？

主要发现

• 所提出的ADR和ADEP解析表达式在所有七个场景中均表现出高精度，经大量数值结果验证。
• IRS部署显著提升了ADEP性能，在高度遮挡的工厂环境中，即使使用短包，仍可实现低于$10^{-6}$的误码概率。
• 在莱斯衰落信道中，系统相比瑞利衰落信道在相同ADEP下获得3–5 dB的SNR增益，表明视 Line-of-Sight 条件下可靠性更高。
• 相位对准不完美会引入性能损失，但系统仍具鲁棒性，1-bit相位分辨率下ADEP增加不足0.5 dB。
• 多IRS部署提供了分集增益，在相关衰落环境中相比单IRS场景，ADEP可降低高达50%。
• 所推导的ADR和ADEP表达式适用于广泛的块长和信噪比范围，证实其在工业URLLC中的实际适用性。