[论文解读] Optimizing a Binary Intelligent Reflecting Surface for OFDM Communications under Mutual Coupling

Emil Björnson|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用 37

一句话总结

本文研究了由互耦和每个元件具有两个不平衡状态的二进制状态IRS所辅助的宽带OFDM系统，并提出在SP Cup 2021数据集上验证的信道估计与配置方法。

ABSTRACT

An intelligent reflecting surface (IRS) can greatly improve the channel quality over a frequency-flat channel, if it is configured to reflect the incident signal as a beam towards the receiver. However, the fundamental limitations of the IRS technology become apparent over practical frequency-selective channels, where the same configuration must be used over the entire bandwidth. In this paper, we consider a wideband orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) system that is supported by a fairly realistic IRS setup with two unbalanced states per element and also mutual coupling. We describe the simulation setup considered in the IEEE Signal Processing Cup 2021, propose a low-complexity solution for channel estimation and IRS configuration, and evaluate it on that setup.

研究动机与目标

• 在具备实际两态、非平衡并相互耦合的IRS元件条件下，激励并建模IRS辅助的宽带OFDM通信。
• 开发适用于二进制IRS配置的低复杂度信道估计与IRS配置方法。
• 利用IEEE Signal Processing Cup 2021数据集及代码演示所提方法。

提出的方法

• 将IRS建模为一个两态、互耦阵列，影响OFDM宽带信道。
• 推导伪基带OFDM模型，并将子载波总和速率表示为 R = (B/(K+M-1)) sum log2(1+P|h_theta[ν]|^2/(BN0)).
• 提出基于最小二乘的信道估计，利用N×N Hadamard导频矩阵在耦合条件下估计 hd 与 V。
• 通过用逐行结构表达V来引入维度约简，V = (1_{NV} ⊗ I_{NH})^T V_row，并估计简化后的参数。
• 开发一种带二进制约束的IRS配置方法，使用受幂法启发的迭代投影，在 c ∈ {±1}^{N+N_V} 条件下使二次型 c^H B c 最大化。
• 解决导频到 Ω 映射中的噪声估计与失配问题，以鲁棒地估计信道并配置IRS。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宽带通道的OFDM中，具有互耦的实用两态（±）二进制IRS是否能够被有效估计和配置？
• RQ2 互耦与幅度不平衡如何影响IRS的反射与OFDM中的系统性能？
• RQ3 在二进制IRS约束下，哪些低复杂度的估计与配置算法可以接近最优速率？
• RQ4 如何通过导频设计和维度约简，在耦合条件下实现 hd 与 V 的可靠估计？
• RQ5 在现实的SP Cup数据集上，所提方法能带来哪些性能提升？

主要发现

• 提出的基于LS的信道估计可以在耦合条件下使用Hadamard导频块识别 hd 与 V。
• 通过V = (1_NV ⊗ I_NH) V_row的维度约减使得在有限导频下实现可行估计。
• 使用类似幂法迭代的二进制IRS配置方法在速率上高于从导频配置中选取或使用统一表面的方法，特别在NLOS场景下。
• 在50个用户场景中，所优化的IRS在所报告的数据集中使总速率大约比统一表面高出约3.3倍。
• 基于数据集的结果表明，即使在宽带OFDM中使用两态、非平衡且耦合的IRS元件，也可实现显著的性能提升。