[论文解读] Spectral and Energy Efficiency of IRS-Assisted MISO Communication with Hardware Impairments

Shaoqing Zhou, Wei Xu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 7

一句话总结

本文分析了在硬件非理想条件下，IRS辅助的MISO下行链路系统中的频谱效率和能量效率，通过扩展误差矢量幅度（EEVM）模型对AP处的射频（RF）非理想性进行建模，并对IRS处的相位噪声进行建模。研究结果表明，即使AP天线数和IRS元素数趋于无穷，频谱效率仍受硬件非理想性的根本限制；并推导出能量效率最大化的闭式最优发射功率表达式，该表达式随AP处RF非理想性加剧而增加。

ABSTRACT

In this letter, we analyze the spectral and energy efficiency of an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted multiple-input single-output (MISO) downlink system with hardware impairments. An extended error vector magnitude (EEVM) model is utilized to characterize the impact of radio-frequency (RF) impairments at the access point (AP) and phase noise is considered for the imperfect IRS. We show that the spectral efficiency is limited due to the hardware impairments even when the numbers of AP antennas and IRS elements grow infinitely large, which is in contrast with the conventional case with ideal hardware. Moreover, the performance degradation at high SNR is shown to be mainly affected by the AP hardware impairments rather than the phase noise of IRS. We further obtain the optimal transmit power in closed form for energy efficiency maximization. Simulation results are provided to verify these results.

研究动机与目标

• 分析硬件非理想性对IRS辅助MISO下行链路系统中频谱效率和能量效率的影响。
• 对实际非理想性进行建模，包括使用EEVM模型对AP处的射频（RF）非理想性进行表征，以及对IRS处的相位噪声进行建模。
• 在硬件非理想条件下，推导频谱效率和可最大化能量效率的最优发射功率的闭式表达式。
• 证明即使在AP天线数和IRS元素数大量增加的情况下，性能增益仍会因硬件非理想性而饱和。

提出的方法

• 建立一个由配备M根天线的接入点（AP）和单天线用户组成的IRS辅助MISO下行链路系统，由一个N元智能反射面（IRS）协助。
• 采用扩展误差矢量幅度（EEVM）模型来表征AP处的射频（RF）非理想性，以及IRS处的相位噪声。
• 推导在非理想硬件条件下，包含AP和IRS非理想性影响的下行链路频谱效率的理论表达式。
• 应用大数定律和连续映射定理，分析当M和N趋于无穷大时的渐近频谱效率。
• 利用Lambert W函数，推导出可最大化能量效率的最优发射功率的闭式解。
• 通过在不同硬件非理想性水平和信噪比（SNR）区域下的仿真，验证了理论分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 AP和IRS处的硬件非理想性如何影响IRS辅助MISO系统的频谱效率？
• RQ2 当存在硬件非理想性时，随着AP天线数和IRS元素数的增加，频谱效率是否仍持续增长？
• RQ3 在高信噪比（SNR）条件下，IRS处的相位噪声对系统性能有何影响？
• RQ4 为实现能量效率最大化而确定的最优发射功率如何依赖于AP处的射频（RF）非理想性？
• RQ5 能否在硬件非理想条件下，为最大化能量效率的最优发射功率推导出闭式表达式？

主要发现

• 即使AP天线数和IRS元素数趋于无穷，频谱效率仍受硬件非理想性的根本限制，这与理想硬件情况形成鲜明对比。
• 在高SNR下，性能退化主要由AP处的射频（RF）非理想性引起，而非IRS处的相位噪声。
• 在高SNR区域，相位噪声对频谱效率的影响逐渐减弱，可忽略不计。
• 为实现能量效率最大化而确定的最优发射功率随AP处射频（RF）非理想性的加剧而增加。
• 推导出的最优发射功率闭式解与仿真结果完全一致，其表达式采用Lambert W函数表示。
• 由于连续相位IRS存在更高的静态硬件功耗，理想硬件情况在能量效率方面可能优于非理想情况，凸显了真实建模的重要性。