[论文解读] IRS-Aided Wireless Relaying: Optimal Deployment and Capacity Scaling

Zhenyu Kang, Changsheng You+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 7

一句话总结

本文提出并分析了智能反射面（IRS）辅助解码转发中继系统的最优部署策略，比较了视 Line-of-Sight（LoS）信道下单 IRS 与多 IRS 配置的性能。结果表明，由于增强了双重反射波束成形增益，多 IRS 部署通过协作式被动波束成形实现的容量量级提升（log M^2）高于单 IRS 部署（log M），尤其在 M 较大时更为显著。

ABSTRACT

In this letter, we consider an intelligent reflecting surface (IRS)-aided wireless relaying system, where a decode-and-forward relay (R) is employed to forward data from a source (S) to a destination (D), aided by M passive reflecting elements. We consider two practical IRS deployment strategies, namely, single-IRS deployment where all reflecting elements are mounted on one single IRS that is deployed near S, R, or D, and multi-IRS deployment where the reflecting elements are allocated over three separate IRSs which are deployed near S, R, and D, respectively. Under the line-of-sight (LoS) channel model, we characterize the capacity scaling orders with respect to an increasing M for the IRS-aided relay system with different IRS deployment strategies. For single-IRS deployment, we show that deploying the IRS near R achieves the highest capacity as compared to that near S or D. While for multi-IRS deployment, we propose a practical cooperative IRS passive beamforming design which is analytically shown to achieve a larger capacity scaling order than the single-IRS deployment (i.e., near R or S/D) when M is sufficiently large. Numerical examples are provided, which validate our theoretical results.

研究动机与目标

• 研究 IRS 部署位置与配置对 IRS 辅助解码转发中继系统容量的影响。
• 比较单 IRS 部署（所有反射单元集中于一处）与多 IRS 部署（反射单元分别部署于源、中继和目的地）在容量量级方面的差异。
• 为多 IRS 部署设计一种实用的协作式被动波束成形方案，以最大化频谱效率。
• 表征不同部署策略下，系统容量随反射单元数 M 的渐近容量量级。
• 通过理想 LoS 与实际 Rician 衰落信道下的数值结果验证理论发现。

提出的方法

• 构建一个三节点 IRS 辅助中继系统，其中 S、R 和 D 各配备单根天线，总共拥有 M 个无源反射单元。
• 考虑两种部署策略：单 IRS（所有 M 个单元集中于 S、R 或 D）与多 IRS（S、R、D 分别部署 M1、M2、M3 个单元，满足 M1+M2+M3=M）。
• 基于 LoS 信道模型推导容量量级，重点关注 M → ∞ 时的渐近行为。
• 为多 IRS 部署提出一种协作式被动波束成形设计，联合优化所有 IRS 的相位偏移，以最大化双重反射链路增益。
• 建立可实现速率的理论边界，并证明多 IRS 的容量量级为 log₂(M²) = 2 log₂M，而单 IRS 的容量量级为 log₂M。
• 通过 LoS 与 Rician 衰落信道下的数值仿真验证结果，比较有无 IRS 以及不同部署与波束成形方案下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单 IRS 配置下，将 IRS 部署在中继（R）附近是否能获得最高容量？
• RQ2 将 IRS 单元分散部署于三个独立的 IRS 上（分别靠近 S、R、D）是否能实现高于单 IRS 部署的容量量级？
• RQ3 在不同 IRS 部署策略下，IRS 辅助中继系统的渐近容量量级如何？
• RQ4 与单 IRS 波束成形相比，多 IRS 之间的协作式被动波束成形如何提升系统性能？
• RQ5 在 Rician 衰落信道下，系统性能与理想 LoS 情况相比如何？多 IRS 的优势是否依然存在？

主要发现

• 在所有单 IRS 配置中，将 IRS 部署在中继（R）附近可实现最高容量，优于部署在源（S）或目的地（D）附近。
• 多 IRS 部署策略实现了更高的容量量级 2 log₂M，而单 IRS 部署为 log₂M，这是由于双重反射波束成形增益的增强。
• 所提出的多 IRS 部署协作式被动波束成形设计在 M 较大时能非常接近理论容量上限。
• 多 IRS 部署的最优单元分配为 M₁ = M₃ = M/4 且 M₂ = M/2（即 ρ = 1/4），可最大化渐近容量。
• 数值结果确认，当 M ≥ 150 时，多 IRS 部署在 LoS 条件下显著优于部署在 R 附近的单 IRS 部署。
• 在 Rician 衰落信道下，随着 Rician 因子 τ 增大，LoS 与实际衰落信道之间的性能差距减小，且多 IRS 的优势在衰落环境中依然保持。