[论文解读] Joint Beamforming for Intelligent Reflecting Surface-Assisted Millimeter Wave Communications

Peilan Wang, Jun Fang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 18被引用 24

一句话总结

本文提出了一种针对配备低分辨率相移器的智能反射表面（IRS）辅助毫米波（mmWave）下行链路系统的联合波束成形设计。通过利用mmWave信道特性，推导出一种近似最优的解析解，即使在1位或2位相移情况下，也能实现接收信号功率随反射单元数量的平方律增长，且性能接近无限分辨率基准。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communications are evolving as a promising technology to meet the ever increasing data rate requirements. However, high directivity and severe path loss make it vulnerable to blockages, which could be frequent in indoor or urban environments. To address this issue, intelligent reflecting surfaces (IRSs) are introduced to provide additional adjustable reflected paths. Most prior works assume that elements of IRSs have an infinite phase resolution, which is difficult to be realized in practical systems. In this paper, IRSs with low-resolution phase shifters are considered. We aim to maximize the receive signal power at the user by jointly optimizing discrete phase shifts of IRSs and the transmit beamforming vector at the base station for mmWave downlink systems. An analytical near-optimal solution is developed by exploiting some important characteristics of mmWave channels. Our theoretical analysis reveals that low-resolution phase shifters can still achieve a receive signal power that increases quadratically with the number of reflecting elements. Simulation results are provided to corroborate our analysis and show the effectiveness of the proposed solution.

研究动机与目标

• 解决mmWave通信在城市和室内环境中易受遮挡影响的问题。
• 为配备低分辨率相移器的多个IRS设计联合发射波束成形与离散相移优化策略。
• 在考虑实际硬件限制的前提下，最大化用户端的接收信号功率。
• 建立具有有限分辨率相移器的IRS辅助mmWave系统的理论功率扩展规律。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，通过联合优化基站的发射波束成形向量和多个IRS的离散相移，以最大化接收信号功率。
• 利用mmWave信道的固有稀疏性和方向性特征，推导出一种无需穷举搜索或迭代优化的近似最优解析解。
• 假设单位幅度反射（β = 1），并采用有限集合中2^b个离散相移级别，以建模实际硬件限制。
• 使用松弛的凸优化形式作为上界，评估所提方案的性能差距。
• 推导出理论功率扩展规律，表明即使在低分辨率相移器下，接收功率仍随反射单元数量的平方律增长。
• 通过在28 GHz下真实mmWave传播条件（包括遮挡场景）下的仿真验证了该方案的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为IRS辅助mmWave系统中的联合波束成形与离散相移优化推导出近似最优的解析解？
• RQ2 与理想的无限分辨率相移器相比，使用低分辨率相移器（如1位或2位）对可实现的接收信号功率有何影响？
• RQ3 当相移器被量化时，接收信号功率是否仍随反射单元数量的平方律增长？
• RQ4 相位量化导致的系统性能退化程度如何？是否可进行理论表征？
• RQ5 多个IRS在多大程度上能提升系统对用户链路遮挡的鲁棒性？

主要发现

• 所提方案即使在1位或2位相移器下，也能实现接收信号功率随反射单元数量的平方律增长。
• 使用2位相移器时，所提方法的接收信噪比（SNR）与无限分辨率相移器所能达到的上界相差仅0.9121 dB。
• 与无限分辨率情况相比，1位相移器导致的性能损失约为3.9224 dB。
• 仿真结果证实，理论功率扩展规律成立，当反射单元数量从25增加到50时，观察到6 dB的增益。
• IRS部署显著降低了遮挡条件下的掉线概率，且IRS数量越多，掉线概率越低。
• IRS辅助系统显著提升了接收信噪比，尤其在距离基站较远的位置，形成了靠近每个IRS的局部信号热点。