[论文解读] Performance Impact of Channel Aging and Phase Noise on Intelligent Reflecting Surface

Wei Jiang, Hans D. Schotten|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 15

一句话总结

该论文分析并量化了由于信道老化和相位噪声导致的智能反射面（IRS）辅助系统中的性能退化。推导出了在信道状态信息（CSI）过时且存在噪声条件下的频谱效率闭式表达式，结果表明振荡器相位噪声的影响可忽略不计，而多普勒引起的信道老化和IRS硬件损伤显著限制了系统性能，尤其对边缘用户影响更大。

ABSTRACT

This letter aims to clarify the impact of channel aging and phase noise on the performance of intelligent reflecting surface-aided wireless systems. We first model mathematically the outdated channel state information (CSI) due to Doppler shifts and phase noise stemming from hardware impairment. Then, a closed-form expression of achievable spectral efficiency under noisy and aged CSI is theoretically derived. Some typical simulation results to numerically demonstrate the performance impact are illustrated.

研究动机与目标

• 理论分析信道老化和相位噪声对IRS辅助无线系统的影响，这些因素在以往研究中常被忽略。
• 建模多普勒引起的过时CSI与硬件损伤（如IRS反射单元和振荡器相位噪声）的联合影响。
• 在存在噪声和过时CSI的条件下，推导可实现频谱效率的闭式表达式，以量化性能损失。
• 通过数值方法评估这些损伤对系统性能的影响，特别是对边缘用户的影响。
• 澄清振荡器相位噪声不会导致性能下降，原因在于相位对齐得以保持，而IRS硬件损伤和信道老化则会显著影响性能。

提出的方法

• 使用相关系数 $\rho \in [0,1] $ 建模时变信道响应，以表征由多普勒频移引起的信道老化。
• 引入来自IRS反射单元（以参数 $\kappa \in [0,\infty)$ 参数化）和基站/用户设备振荡器的相位噪声。
• 通过结合时相关信道衰落与相位噪声分量，构建过时且含噪声CSI的统一数学模型。
• 在CSI不完美条件下，推导出频谱效率的闭式表达式，同时考虑相关性与相位失真。
• 采用交替优化方法进行联合主动与被动波束成形，固定迭代次数为3次，以评估性能。
• 通过多种场景下的仿真验证理论结果，包括直射链路缺失以及 $\rho$ 和 $\kappa$ 取不同值的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过相关系数 $\rho$ 建模的信道老化影响IRS辅助系统的频谱效率？
• RQ2 以 $\kappa$ 参数化的IRS反射单元相位噪声对系统性能有何影响，尤其对边缘用户？
• RQ3 基站或用户设备的振荡器相位噪声是否因相位失配而降低系统性能？
• RQ4 当直射链路缺失时，信道老化与IRS相位噪声如何联合影响波束成形性能？
• RQ5 理论模型能否在极端损伤条件下（如 $\rho = 0$ 和 $\kappa = 0$）预测性能边界？

主要发现

• 信道老化导致 $\rho = 0.3$ 时，频谱效率损失约为 $-2.2\text{ bps/Hz}$，而 $\rho = 0$ 时损失超过 $-4\text{ bps/Hz}$。
• IRS反射单元相位噪声导致 $\kappa = 0$ 时性能下降约 $7\text{ bps/Hz}$，但当 $\kappa > 1$ 时损失减少至 $-1$ 到 $-2\text{ bps/Hz}$。
• 基站或用户设备的振荡器相位噪声对系统性能无显著影响，该结论由定理1和仿真结果共同证实。
• 最坏情况性能边界出现在 $\rho = 0$ 且 $\kappa = 0$ 时，其性能与无IRS相位噪声时的 $\rho = 0$ 曲线相当。
• 在无直射链路的场景中，小区中心用户性能较差，而小区边缘用户最受益于IRS，但性能仍受信道老化限制。
• 信道老化同时影响基站的主动波束成形和IRS的被动波束成形，而IRS相位噪声仅影响被动波束成形。