[论文解读] Intelligent reflecting surface assisted multi-cell multi-band wireless networks

Wenhao Cai, Rang Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 16被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种智能反射面（IRS）辅助的多小区多频段无线网络联合波束成形设计方案，采用实际的频率相关IRS相移模型以考虑硬件限制。该方法显著降低了总发射功率，并在具有频率选择性IRS响应的多频段条件下，优于基于理想模型的设计。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is deemed as a promising and revolutionizing technology for future wireless communication systems owing to its capability to intelligently change the propagation environment and introduce a new dimension into wireless communication optimization. Most existing studies on IRS are based on an ideal reflection model. However, it is difficult to implement an IRS which can simultaneously realize any adjustable phase shift for the signals with different frequencies. Therefore, the practical phase shift model, which can describe the difference of IRS phase shift responses for the signals with different frequencies, should be utilized in the IRS optimization for wideband and multi-band systems. In this paper, we consider an IRS-assisted multi-cell multi-band system, in which different base stations (BSs) operate at different frequency bands. We aim to jointly design the transmit beamforming of BSs and the reflection beamforming of the IRS to minimize the total transmit power subject to signal to interference-plus-noise ratio (SINR) constraints of individual user and the practical IRS reflection model. With the aid of the practical phase shift model, the influence between the signals with different frequencies is taken into account during the design of IRS. Simulation results illustrate the importance of considering the practical communication scenario on the IRS designs and validate the effectiveness of our proposed algorithm.

研究动机与目标

• 通过在多频段系统中建模实际的频率相关相移，填补IRS研究中的空白。
• 制定一个联合波束成形优化问题，以考虑多频段间的干扰以及实际IRS硬件约束。
• 在多小区环境中，最小化所有基站的总发射功率，同时满足各用户对SINR的要求。
• 开发一种迭代算法，以求解在实用IRS模型下的非凸优化问题。
• 展示在多频段场景下，使用真实IRS模型相比理想化假设所能带来的性能增益。

提出的方法

• 提出一种实用的IRS相移模型，能够捕捉频率相关响应差异，该模型基于IRS单元的等效电路推导得出。
• 将IRS反射矩阵建模为对角矩阵，其相移与频率相关，使用参数化向量 $\mathbf{a}_m$ 表示每个单元的频率响应。
• 制定一个非凸优化问题，以最小化所有基站的总发射功率，同时满足用户SINR约束和实用IRS模型。
• 将问题分解为两个子问题：通过二值优化进行IRS用户选择，通过CVX进行凸松弛求解发射波束成形器设计。
• 采用交替优化方法：固定IRS用户选择矩阵 $\mathbf{A}$，求解波束成形器 $\mathbf{W}$；然后固定 $\mathbf{W}$，迭代优化 $\mathbf{A}$。
• 应用启发式算法选择每个IRS频段的用户，确保IRS在增强多个频段信号的同时，不损害其他频段的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 实际IRS元件的频率选择性响应如何影响多频段多小区网络中的波束成形性能？
• RQ2 在IRS辅助系统设计中，忽略非目标频段信号的带间干扰会产生何种影响？
• RQ3 在实用IRS模型下，联合发射与反射波束成形设计是否能优于基于理想模型的设计？
• RQ4 在多个频段上进行IRS用户选择如何影响总发射功率与系统频谱效率？
• RQ5 在多小区多频段场景下，使用真实IRS模型相比理想化假设能带来多大的性能增益？

主要发现

• 所提出的实用IRS模型通过考虑频率相关相移显著提升了系统性能，而这些相移在理想模型中被忽略。
• 仿真结果表明，所提算法在总发射功率方面优于理想IRS模型，尤其当用户数和频段数增加时更为明显。
• 当IRS同时服务于多个频段时，性能增益最为显著，凸显了带间干扰建模的重要性。
• 即使在实用IRS约束下，采用IRS用户选择的算法也优于仅服务单个频段的方案。
• 增加IRS单元数量可进一步降低总发射功率，且在实用模型下相比理想化基准，性能增益依然保持。
• 带有IRS且采用理想模型的曲线作为上界，表明现实中的IRS硬件限制使得无法达到理论性能极限。