[论文解读] Location Information Aided Multiple Intelligent Reflecting Surface Systems

Xiao Hu, Caijun Zhong+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 35被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于位置信息的多智能反射面（IRS）系统，通过利用不完善的用户位置数据来估计波束成形的有效波束角度，从而降低训练开销和信令负载。该系统实现了 $NM^2$ 量级的功率增益，并表明在非视 Line-of-Sight（NLOS）条件下，可实现速率与 $M$ 成比例增长；当 NLOS 路径消失时，速率与 $M^2$ 成比例增长。

ABSTRACT

This paper proposes a novel location information aided multiple intelligent reflecting surface (IRS) systems. Assuming imperfect user location information, the effective angles from the IRS to the users are estimated, which is then used to design the transmit beam and IRS beam. Furthermore, closed-form expressions for the achievable rate are derived. The analytical findings indicate that the achievable rate can be improved by increasing the number of base station (BS) antennas or reflecting elements. Specifically, a power gain of order $N M^2$ is achieved, where $N$ is the antenna number and $M$ is the number of reflecting elements. Moreover, with a large number of reflecting elements, the individual signal to interference plus noise ratio (SINR) is proportional to $M$, while becomes proportional to $M^2$ as non-line-of-sight (NLOS) paths vanish. Also, it has been shown that high location uncertainty would significantly degrade the achievable rate. Besides, IRSs should be deployed at distinct directions (relative to the BS) and be far away from each other to reduce the interference from multiple IRSs. Finally, an optimal power allocation scheme has been proposed to improve the system performance.

研究动机与目标

• 解决传统 IRS 波束成形系统中高训练开销和频繁 CSI 反馈的问题。
• 通过利用变化缓慢的位置信息来降低对瞬时 CSI 的依赖，以实现波束设计。
• 通过将实时 CSI 交换替换为低速率位置更新，最小化基站与 IRS 之间的信令负载。
• 基于从用户位置估计中获得的统计 CSI，开发一种低复杂度的波束成形方案。
• 在位置不确定性条件下，优化功率分配以满足各用户的数据率约束。

提出的方法

• 利用不完善的用户位置信息估计从 IRS 到用户的有效波束角度，并对估计误差进行统计建模。
• 基于估计角度和统计 CSI，以闭式形式设计发射波束成形向量和 IRS 相位移。
• 在 Rician 衰落信道下，推导出可实现速率的闭式表达式，同时考虑位置不确定性与路径损耗。
• 利用空间相关性和角度扩展参数对多 IRS 的干扰进行建模，表明方向上的分离可降低干扰。
• 提出一种最优功率分配方案，以最小化总发射功率，同时满足各用户的数据率约束。
• 使用随机几何和随机矩阵理论分析关键参数（如天线数 $N$、反射单元数 $M$ 和 Rician K 因子）的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 位置不确定性如何影响多 IRS 系统的可实现速率？
• RQ2 增加基站天线数 ($N$) 和反射单元数 ($M$) 对系统性能有何影响？
• RQ3 当非视 Line-of-Sight（NLOS）路径消失时，系统性能如何变化？此时的 SINR 行为如何？
• RQ4 如何部署多个 IRS 以最小化 IRS 间干扰？
• RQ5 基于位置信息的低复杂度波束成形方案是否能优于采用完整 CSI 的传统联合优化方案？

主要发现

• 可实现速率与 $NM^2$ 成比例，由于接收端的相干合并，实现了 $NM^2$ 量级的功率增益。
• 在存在 NLOS 路径时，单个用户 SINR 与 $M$ 呈线性增长；当 NLOS 分量消失时，SINR 与 $M^2$ 成比例增长。
• 高位置不确定性会显著降低系统性能，凸显了精确位置估计的重要性。
• IRS 应相对于基站部署在不同的角度方向，并保持适当间距，以减少 IRS 间干扰。
• 当用户个体数据率要求较低时，所提出的波束成形方案优于 [3] 中的联合优化方案，原因在于开销更低且对估计误差更具鲁棒性。
• 所提出的最优功率分配方案在满足各用户数据率约束的前提下，最小化了总发射功率，仿真结果验证了性能增益。