[论文解读] Intelligent Reflecting Surfaces: Sum-Rate Optimization Based on Statistical CSI

Andrea Abrardo, Davide Dardari+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 43被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种基于仅统计信道状态信息（CSI）的多用户MIMO系统中多智能反射面（IRS）的和速率最大化优化框架，无需进行瞬时CSI估计。该方法将优化过程分为离线阶段（基于用户位置和信道统计）与在线阶段（IRS配置固定），在最小化反馈开销的同时，显著提升了和速率性能，相比非IRS系统具有明显增益。

ABSTRACT

In this paper, we consider a multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) system aided by multiple intelligent reflecting surfaces (IRSs) that are deployed to increase the coverage and, possibly, the rank of the channel. We propose an optimization algorithm to configure the IRSs, which is aimed at maximizing the network sum-rate by exploiting only the statistical characterization of the environment, such as the distribution of the locations of the users and the distribution of the multipath channels. As a consequence, the proposed approach does not require the estimation of the instantaneous channel state information (CSI) for system optimization, thus significantly relaxing (or even avoiding) the need of frequently reconfiguring the IRSs, which constitutes one of the most critical issues in IRS-assisted systems. Numerical results confirm the validity of the proposed approach. It is shown, in particular, that IRS-assisted wireless systems that are optimized based on statistical CSI still provide large performance gains as compared to the baseline scenarios in which no IRSs are deployed.

研究动机与目标

• 解决因频繁进行瞬时CSI估计而带来的IRS辅助系统中高反馈与重配置开销问题。
• 通过仅依赖长期统计CSI（如用户位置分布和信道统计）实现低开销的IRS优化。
• 在无需实时CSI反馈的前提下，最大化具有多个IRS的多用户MIMO系统的网络和速率。
• 通过基于统计知识的离线优化，将IRS配置与快衰落信道动态解耦。
• 验证基于统计CSI的IRS优化仍能相对于无IRS的系统实现显著性能增益。

提出的方法

• 所提方法采用两阶段优化：离线阶段基于统计CSI配置IRS相位偏移，在线阶段在IRS保持固定的情况下优化波束成形向量。
• 离线优化通过仅利用用户位置分布和多径信道统计的统计分布，最大化期望和速率，完全避免对瞬时CSI的需求。
• 每个IRS的等效阵因子由基站波束成形向量、基站-IRS信道响应以及IRS的模拟波束成形向量推导得出，用于建模信号传播。
• IRS配置在离线阶段一次性计算完成，并在在线运行期间保持不变，显著降低了信令与重配置开销。
• 系统将IRS建模为可重构智能表面，通过调控无线信道来增强覆盖范围与信道秩，尤其在非视 Line-of-Sight 条件下。
• 通过考虑用户位置可能分布的区域来处理位置不确定性，确保在动态环境中具备鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅使用统计CSI有效优化IRS配置，而无需进行瞬时CSI估计？
• RQ2 基于统计CSI的IRS辅助系统性能与无IRS的基准系统相比如何？
• RQ3 用户位置不确定性对IRS配置和系统和速率有何影响？
• RQ4 能否通过基于统计知识的离线优化，将IRS配置与快衰落动态解耦，从而实现和速率最大化？
• RQ5 IRS数量和用户数如何影响最优IRS配置及系统性能？

主要发现

• 所提的基于统计CSI的IRS优化方法即使在无瞬时CSI的情况下，仍能实现相对于无IRS系统的显著和速率增益。
• 离线阶段配置的IRS在不同用户位置下仍保持有效性，表明对用户移动性和位置不确定性具有鲁棒性。
• 当IRS数量超过用户数时，系统配置IRS通过两个最近的IRS为多个用户服务，增强空间复用增益。
• 当用户数超过IRS数量时，IRS被优化为仅服务附近用户，而远距离用户则通过直射或环境多径通信方式被服务。
• IRS-3和IRS-4被配置为在远距离用户方向（如UE-3和UE-4）引入深度零点，以最小化干扰并提升频谱效率。
• 等效阵因子分析表明，即使在统计不确定性下，IRS仍能通过聚焦能量至目标用户并抑制对其他用户干扰，有效塑造有效信道。