[论文解读] Statistical CSI based Design for Intelligent Reflecting Surface Assisted MISO Systems

Xiao Hu, Junwei Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 16被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种仅使用统计信道状态信息（CSI）的MISO系统联合波束成形与智能反射面（IRS）相位移设计，实现了接近基于瞬时CSI基准的遍历容量。对于Rician衰落（视 Line-of-Sight 路径），提出了一种具有收敛保证的迭代算法；对于Rayleigh衰落（无视 Line-of-Sight），推导出闭式解，两者均表现出接近最优的性能，且训练开销和复杂度显著降低。

ABSTRACT

This paper considers an intelligent reflecting surface (IRS) aided multiple-input single-output communication system, where statistical channel state information (CSI) is exploited for transmit beamforming and IRS beamforming. A tight upper bound is derived for the ergodic capacity of the system. Based on which, the joint optimization of transmit beam and IRS beam are studied. Depending on whether a line-of-sight path exists between the access point and user, two different cases, namely, Rician fading and Rayleigh fading, are separately treated. Specifically, for the Rician fading case, an iterative algorithm is proposed, which is guaranteed to converge. For the Rayleigh fading case, closed-form designs are obtained for the transmit beam and IRS beam. Simulation results show the proposed beamforming scheme achieves similar performance as the benchmark algorithm requiring instantaneous CSI.

研究动机与目标

• 解决IRS辅助MISO系统中获取瞬时CSI所带来的高训练开销和硬件成本问题。
• 仅使用统计CSI设计联合发射波束成形与IRS相位移，该CSI更易获取且可更少频率更新。
• 在两种实际信道模型下最大化遍历容量：Rician衰落（存在视 Line-of-Sight）和Rayleigh衰落（无视 Line-of-Sight）。
• 开发低复杂度、高性能的波束成形算法，使其性能与基于瞬时CSI的基准算法相当。

提出的方法

• 基于统计CSI，推导出IRS辅助MISO系统遍历容量的紧致上界。
• 针对Rician衰落情况，提出一种交替优化算法，迭代优化发射波束成形器与IRS相位移，两者均以闭式表达。
• 通过单调性与有界性论证，证明了该迭代算法的收敛性。
• 针对Rayleigh衰落情况，通过解析优化推导出发射波束成形器与IRS相位移的闭式表达式。
• 采用蒙特卡洛仿真验证上界紧致性及所提方案的性能。
• 将所提算法与需要瞬时CSI的基准算法及随机波束成形进行对比，以展示性能增益与复杂度降低。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用统计CSI的联合发射波束成形与IRS相位移设计，能否实现接近完美瞬时CSI系统的遍历容量？
• RQ2 在统计CSI下，视 Line-of-Sight（LOS）路径的存在如何影响IRS辅助MISO系统的性能与设计方法？
• RQ3 当仅能获取统计CSI时，是否可为Rayleigh衰落场景下的IRS波束成形与发射波束成形推导出闭式解？
• RQ4 在统计CSI下，IRS反射单元数量与发射功率如何影响遍历容量？
• RQ5 所提Rician衰落情况下的迭代算法具有怎样的收敛行为与计算复杂度？

主要发现

• 所提Rician衰落情况下的迭代算法收敛迅速，在所有接入点（AP）天线数与IRS单元数的测试配置下，仅需3次迭代即可达到次优解。
• 随着IRS反射单元数量的增加，遍历容量显著提升，证实了大规模IRS部署的优势。
• 在Rician衰落情况下，所提算法性能几乎与需要瞬时CSI的基准算法一致，尤其在Rician K因子增大时更为明显。
• 在Rayleigh衰落情况下，闭式波束成形解的性能与瞬时CSI基准几乎无法区分，且计算复杂度显著降低。
• 随着反射单元数量的增加，Rician与Rayleigh衰落情况下的性能差距逐渐缩小，这是由于IRS辅助信道起主导作用。
• 当IRS单元数量足够多时（例如超过50个），Rician与Rayleigh衰落系统均能达到相近的遍历容量，表明无论直射信道统计特性如何，IRS信道已成为主要传输链路。