[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Network: Joint Active and Passive Beamforming Design

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 12

一句话总结

本文提出在多天线接入点（AP）进行联合主动波束成形，同时在智能反射面（IRS）上优化被动相移，以最大化单天线用户接收的信号功率。通过利用半定松弛和交替优化，所提出的集中式与分布式算法实现了近似最优性能，显著提升了频谱效率和覆盖范围——尤其在低信噪比（SNR）或非视 Line-of-Sight（LoS）场景下——借助一种无源、低成本的IRS，通过相干信号合并实现$N^2$波束成形增益。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is envisioned to have abundant applications in future wireless networks by smartly reconfiguring the signal propagation for performance enhancement. Specifically, an IRS consists of a large number of low-cost passive elements each reflecting the incident signal with a certain phase shift to collaboratively achieve beamforming and suppress interference at one or more designated receivers. In this paper, we study an IRS-enhanced point-to-point multiple-input single-output (MISO) wireless system where one IRS is deployed to assist in the communication from a multi-antenna access point (AP) to a single-antenna user. As a result, the user simultaneously receives the signal sent directly from the AP as well as that reflected by the IRS. We aim to maximize the total received signal power at the user by jointly optimizing the (active) transmit beamforming at the AP and (passive) reflect beamforming by the phase shifters at the IRS. We first propose a centralized algorithm based on the technique of semidefinite relaxation (SDR) by assuming the global channel state information (CSI) available at the IRS. Since the centralized implementation requires excessive channel estimation and signal exchange overheads, we further propose a low-complexity distributed algorithm where the AP and IRS independently adjust the transmit beamforming and the phase shifts in an alternating manner until the convergence is reached. Simulation results show that significant performance gains can be achieved by the proposed algorithms as compared to benchmark schemes. Moreover, it is verified that the IRS is able to drastically enhance the link quality and/or coverage over the conventional setup without the IRS.

研究动机与目标

• 通过引入一种低成本、无源的IRS作为有源中继或密集小细胞的绿色替代方案，解决5G及以后无线网络中频谱效率与能量消耗的挑战。
• 通过智能反射面实现可重构波束成形，克服传统固定相移反射面的局限性。
• 通过联合优化AP的波束成形与IRS的无源相移，最大化单天线用户在点对点MISO系统中的接收信号功率。
• 设计实用且低复杂度的算法，实现在无需交换完整信道状态信息的情况下，AP与IRS之间的分布式优化。
• 通过SNR提升与覆盖范围扩展，展示IRS部署相较于无IRS传统配置的性能增益。

提出的方法

• 建立联合主动与被动波束成形优化问题，以最大化用户在直射链路与反射链路共同作用下的接收信号功率。
• 提出一种基于半定松弛（SDR）的集中式算法，在假设具备完整信道状态信息（CSI）的条件下求解非凸优化问题。
• 设计一种低复杂度的分布式算法，通过交替优化AP的波束成形与IRS的相移直至收敛，从而降低信令开销。
• 利用交替优化方法将联合问题分解为AP与IRS组件可处理的子问题。
• 在基准比较中，于AP与IRS处采用最大比传输（MRT）波束成形策略。
• 通过反射单元数量$N$带来的阵列增益与通过相位对齐实现的无源波束成形增益，共同实现总$N^2$波束成形增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MISO系统中，AP与IRS的联合主动与被动波束成形是否能显著提升接收信号功率与频谱效率？
• RQ2 IRS增强系统相较于无IRS的传统配置，在SNR与覆盖范围扩展方面表现如何？
• RQ3 反射单元数量$N$对可实现SNR的影响是什么？其是否如理论预测的那样按$N^2$比例增长？
• RQ4 分布式算法是否能在最小信令开销下实现近似最优性能，且无需IRS具备全局CSI？
• RQ5 用户相对于AP与IRS的位置如何影响不同波束成形策略（如AP-MRT与IRS-MRT）的性能表现？

主要发现

• 所提出的联合波束成形设计由于反射单元数量$N$带来的阵列增益（$N$）与相干相位对齐带来的无源波束成形增益（$N$）共同作用，实现了总$N^2$波束成形增益。
• 当$N=30$时，用户获得18 dB的SNR，当$N=60$时提升至24 dB，表明反射单元数量加倍带来6 dB增益。
• IRS显著扩展了网络覆盖范围：对于目标SNR为8 dB的情况，覆盖范围从无IRS时的~33 m扩展至有IRS时的~50 m，实现显著覆盖扩展。
• 分布式算法收敛迅速，性能接近最优，适用于低信令开销的实际部署。
• 当用户靠近IRS时，AP-IRS MRT方案性能最佳；而当用户靠近AP时，AP-MRT方案最优，证实了动态联合优化的必要性。
• 当用户既不靠近AP也不靠近IRS（如$d=43$ m）时，由于IRS处信号功率受损，SNR增益低于$N^2$，表明波束成形设计中存在权衡。