[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Assisted Multi-User MISO Communication

Qurrat-Ul-Ain Nadeem, Abla Kammoun+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 35

一句话总结

本文提出了一种智能反射表面（IRS）辅助的多用户MIMO系统，通过被动重构无线传播环境以提升频谱效率和能量效率。通过利用无源反射单元和基于最小均方误差（MMSE）的信道估计算法，该系统在低硬件复杂度和低功耗条件下实现了显著的系统速率增益，从而支持绿色且可控制的后5G网络。

ABSTRACT

The recently completed global standard for 5G new radio air interface focuses on fulfilling key performance indicators for the new generation of cellular networks through several cutting-edge technologies, including Massive multiple-input multiple-output (MIMO), millimeter (mm)-Wave communication and network densification. However, these technologies face two main practical limitations 1) the lack of control over the wireless propagation environment, and 2) the high power consumption of the wireless interface. To address the need for green and sustainable future cellular networks with control over the propagation channel, the concept of reconfiguring wireless propagation environments using Intelligent Reflecting Surfaces (IRS)s has emerged for beyond 5G networks. An IRS comprises of a large number of low-cost passive reflecting elements that can smartly reconfigure the signal propagation for performance enhancement. In this paper, we discuss the role of passive IRSs in reconfiguring wireless propagation environments, introduce an IRS-assisted multi-user MIMO communication system, outline the communication-theoretic model and minimum mean squared error (MMSE) based channel estimation protocol for its design and analysis, and present performance evaluation results to illustrate the efficiency of the proposed system.

研究动机与目标

• 为解决当前5G网络中无线传播环境缺乏控制的问题。
• 降低密集网络中主动MIMO和毫米波技术带来的高功耗问题。
• 通过无源智能反射表面（IRS）实现绿色、可持续且可控制的无线通信。
• 设计一种具有实用通信理论模型和信道估计算法的IRS辅助多用户MIMO系统。
• 评估IRS在提升频谱效率和系统和速率方面的性能增益。

提出的方法

• 利用大量低成本无源反射单元设计IRS辅助的多用户MISO通信系统。
• 将无线传播环境建模为由IRS相位移控制的可重构信道。
• 建立包含相位移反射系数的上行链路和下行链路信号模型。
• 实施基于最小均方误差（MMSE）的信道估计算法，以估计级联信道状态信息。
• 在功率约束下优化IRS的相位移，以最大化系统和速率。
• 将IRS集成到多用户MIMO框架中，以实现空间复用和干扰管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将IRS集成到多用户MIMO系统中以提升频谱效率并降低功耗？
• RQ2 通过IRS实现的无源波束成形对多用户下行链路传输的和速率性能有何影响？
• RQ3 在信道状态信息不完美条件下，基于MMSE的信道估计算法在IRS辅助系统中的表现如何？
• RQ4 与传统MIMO系统相比，系统在频谱效率和能量效率方面可实现的增益是多少？
• RQ5 在多用户场景下，IRS上反射单元的数量如何影响系统性能？

主要发现

• 所提出的IRS辅助系统通过主动调控无线传播环境，在系统和速率方面显著优于传统MIMO系统。
• 通过IRS实现的无源波束成形可在不增加额外功耗的情况下实现干扰抑制和信号增强。
• 基于MMSE的信道估计算法在低导频开销下提供了精确的级联信道状态信息。
• 由于对多用户间信号反射的智能控制，系统表现出极高的频谱效率。
• IRS的无源特性使其在硬件和运行功耗方面显著低于主动MIMO或波束成形系统。
• 仿真结果证实，即使在反射单元数量适中的情况下，IRS的部署也能显著提升系统性能。