[论文解读] mmWave Doubly-Massive-MIMO Communications Enhanced with an Intelligent Reflecting Surface

Dian‐Wu Yue, Ha H. Nguyen+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用 4

一句话总结

本文提出了一种智能反射面（IRS）辅助的毫米波双大规模MIMO系统，以提升频谱效率和可靠性。通过利用具有大规模无源反射单元的多个IRS子孔径，系统实现了与子孔径数量相等的可控传播路径数，且每条路径的信噪比（SNR）随反射单元数量呈二次方增长。关键贡献在于独立优化功率分配、预编码/合并波束成形以及IRS相位移，从而在最小化信令开销的前提下实现高 spectral efficiency。

ABSTRACT

As a means to control wireless propagation environments, the use of emerging and novel intelligent reflecting surfaces (IRS) is envisioned to enhance and broaden many applications in future wireless networks. This paper is concerned with a point-to-point IRS-assisted millimeter-wave (mmWave) system in which the IRS consists of multiple subsurfaces, each having the same number of passive reflecting elements, whereas both the transmitter and receiver are equipped with massive antenna arrays. Under the scenario of having very large numbers of antennas at both transmit and receive ends, the achievable rate of the system is derived. Furthermore, with the objective of maximizing the achievable rate, the paper presents optimal solutions of power allocation, precoding/combining, and IRS's phase shifts. Then it is shown that when the number of reflecting elements at each subsurface is very large, the number of favorable and controllable propagation paths provided by the IRS is simply equal to the number of subsurfaces while the received signal-to-noise ratio corresponding to each of the favorable paths increases quadratically with the number of reflecting elements. In addition, the problem of minimizing the transmit power subject to the rate constraint is analyzed for the scenario without direct paths in the pure LOS propagation. Finally, numerical results are provided to corroborate the obtained analysis.

研究动机与目标

• 通过引入IRS以增强信号传播，解决毫米波通信中的高路径损耗和链路阻塞问题。
• 分析由具有多个子孔径的IRS增强的点对点毫米波双大规模MIMO系统中的渐近可实现速率。
• 在最大化频谱效率的目标下，推导功率分配、预编码/合并波束成形以及IRS相位移的最优解。
• 研究大规模IRS部署对纯视 Line-of-Sight（LoS）环境中空间复用和SNR扩展的影响。
• 在直接LoS链路可忽略时，最小化发射功率，优化IRS配置以满足速率约束。

提出的方法

• 系统采用簇统计信道模型描述毫米波传播，其中多个IRS子孔径具有相同数量的无源反射单元。
• 在假设发射和接收天线数量极大时进行渐近分析，从而获得可实现速率的闭式表达式。
• 通过凸优化独立推导最优功率分配、预编码/合并波束成形以及IRS相位移，避免联合设计的复杂性。
• 分析表明，当每个子孔径的反射单元数量较大时，有利传播路径的数量等于子孔径的数量。
• 在无直接路径的纯LoS场景下，推导了在等功率分配和最优子孔径数量选择下的最小发射功率。
• 数值仿真验证了分析结果，包括反射单元数量增加时的SNR扩展特性，以及IRS尺寸和子阵列数量增加时的速率增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有多个子孔径的IRS增强的双大规模MIMO系统中，可实现速率如何变化？
• RQ2 能否在不进行联合优化的情况下独立推导出功率分配、预编码/合并波束成形以及IRS相位移的最优解？
• RQ3 当反射单元数量较大时，有利传播路径数量与IRS子孔径数量之间的关系是什么？
• RQ4 接收端信噪比（SNR）如何随每个子孔径的反射单元数量变化？
• RQ5 当直接LoS链路不存在且IRS主导信道时，为满足目标速率所需的最小发射功率是多少？

主要发现

• 当每个子孔径的反射单元数量极大时，IRS提供的有利传播路径数量等于子孔径数量。
• 每条有利路径的接收SNR随每个子孔径的反射单元数量呈二次方增长。
• 最优功率分配、预编码/合并波束成形以及IRS相位移可独立计算，从而简化系统设计并降低信令开销。
• 当总反射单元数量固定时，最优子孔径数量约为5（当总单元数为1000时），在路径分集增益与SNR增益之间实现平衡。
• 当总反射单元数为1000、子孔径数为100时，IRS系统的可实现和速率在 $N_t = 64$ 且 $N_r = 36$ 时约为无IRS系统的两倍。
• 当每个子孔径的反射单元数量增加时，所需发射功率随 $1/N^2$ 线性下降，对于固定速率，当 $N$ 从10增至100时，发射功率降低约20 dB。