[论文解读] MIMO Assisted Networks Relying on Intelligent Reflective Surfaces

Tianwei Hou, Yuanwei Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 50被引用 26

一句话总结

本文提出了一种通过智能反射面（IRS）增强的MIMO网络，以提升频谱效率和能量效率，采用随机几何方法建模用户位置的随机性，并通过迫零预编码联合优化IRS的无源波束成形和用户的检测权重。关键结果表明，高信噪比（SNR）下的遍历速率斜率为1，且随着IRS元素数量的增加，频谱效率和能量效率均显著提升。

ABSTRACT

Intelligent reflective surfaces (IRSs) are invoked for improving both spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE). Specifically, an IRS-aided multiple-input multiple-output network is considered, where the performance of randomly roaming users is analyzed by utilizing stochastic geometry tools. As such, to distinguish the superposed signals at each user, the passive beamforming weight at the IRSs and detection weight vectors at the users are jointly designed. As a benefit, by adopting a zero-forcing-based design, the intra-cell interference imposed by the IRS can be suppressed. In order to evaluate the performance of the proposed network, we first derive the approximated channel statistics in the high signal-to-noise-ratio (SNR) regime. Then, we derive the closed-form expressions both for the outage probability and for the ergodic rate of users. Both the high-SNR slopes of ergodic rate and the diversity orders of outage probability are derived for gleaning further insights. The network's SE and EE are also derived. Our numerical results are provided to confirm that: i) the high-SNR slope of the proposed network is one; ii) the SE and EE can be significantly enhanced by increasing the number of IRS elements.

研究动机与目标

• 利用随机几何工具分析用户位置随机分布的IRS辅助MIMO网络性能。
• 通过将用户分布建模为二项点过程，弥补现有文献中对用户位置影响研究的不足。
• 联合优化IRS处的无源波束成形和用户设备处的检测权重，以抑制小区内干扰。
• 推导遍历速率和中断概率的闭式表达式，并评估频谱效率和能量效率。
• 研究IRS辅助MIMO系统在高SNR下的行为特性及分集增益。

提出的方法

• 将用户位置建模为二项点过程，以捕捉网络中的拓扑随机性。
• 利用随机几何方法推导高SNR区域下的近似信道统计特性。
• 在用户设备处应用迫零波束成形，以抑制来自IRS的干扰。
• 利用梅杰-G函数和不完全上伽马函数，推导出遍历速率和中断概率的闭式表达式。
• 分析高SNR斜率和分集阶数，以深入理解系统性能极限。
• 将频谱效率和能量效率表示为IRS元素数量的函数进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 用户位置的随机分布如何影响IRS辅助MIMO网络中的遍历速率和中断概率？
• RQ2 在联合无源波束成形与迫零检测的IRS辅助MIMO系统中，遍历速率的高SNR斜率是多少？
• RQ3 IRS元素数量如何影响网络的频谱效率和能量效率？
• RQ4 所提出的IRS辅助MIMO系统中，中断概率的分集阶数是多少？
• RQ5 在一般衰落条件下，能否推导出遍历速率和中断概率的闭式表达式？

主要发现

• 所提出的IRS辅助MIMO网络在高SNR下的遍历速率斜率为1，表明频谱效率实现最优标度。
• 中断概率实现了依赖于系统参数的分集阶数，证实了在SNR增加时可靠性得以提升。
• 通过增加IRS元素数量，频谱效率和能量效率显著增强，证明了IRS技术的可扩展性。
• 利用梅杰-G函数和不完全上伽马函数，推导出遍历速率和中断概率的闭式表达式。
• 所提出的基于迫零的检测方法能有效抑制由IRS引起的小区内干扰。
• 通过数值仿真验证了分析结果，确认了推导表达式的准确性。