[论文解读] Study of Intelligent Reflective Surface Assisted Communications with One-bit Phase Adjustments

Tianxiong Wang, Gaojie Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用 10

一句话总结

本文分析了采用一比特相移（0°、180°）的智能反射面（IRS）辅助通信，推导出无需依赖中心极限定理近似的精确中断概率表达式和分集增益阶数。结果表明，在完美相位控制下，分集增益阶数为 $N+1$；而在一比特相位误差下，分集增益阶数为 $rac{1}{2}(N+3)$，证实了相位量化导致5 dB的SNR代价。

ABSTRACT

We analyse the performance of a communication link assisted by an intelligent reflective surface (IRS) positioned in the far field of both the source and the destination. A direct link between the transmitting and receiving devices is assumed to exist. Perfect and imperfect phase adjustments at the IRS are considered. For the perfect phase configuration, we derive an approximate expression for the outage probability in closed form. For the imperfect phase configuration, we assume that each element of the IRS has a one-bit phase shifter (0°, 180°) and an expression for the outage probability is obtained in the form of an integral. Our formulation admits an exact asymptotic (high SNR) analysis, from which we obtain the diversity orders for systems with and without phase errors. We show these are N + 1 and (N + 3)/2, respectively. Numerical results confirm the theoretical analysis and verify that the reported results are more accurate than methods based on the central limit theorem (CLT).

研究动机与目标

• 分析每个反射单元采用一比特相位调节的IRS辅助通信性能。
• 推导完美与非完美相位配置下的精确中断概率表达式。
• 计算存在与不存在相位误差情况下的分集增益阶数，避免使用不准确的中心极限定理近似。
• 通过数值仿真验证理论结果，并与基于CLT的方法进行比较。

提出的方法

• 利用精确渐近分析，推导在完美相位对齐条件下的中断概率闭式近似表达式。
• 将IRS信道建模为独立瑞利衰落分量之和与一条直射链路的组合，其中相位偏移被限制为0°或180°。
• 采用基于积分的表达式计算一比特相位误差下的中断概率，显式纳入相位误差的影响。
• 应用引理1和引理2，推导联合信道增益的累积分布函数，从而实现精确渐近分析。
• 进行高SNR渐近分析以确定分集增益阶数，避免使用高斯近似。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，并与基于CLT的方法比较其准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有直射链路的一比特相移IRS辅助系统的精确中断概率是多少？
• RQ2 与完美相位控制相比，将相位量化为一比特对分集增益阶数有何影响？
• RQ3 在IRS辅助系统中，由于一比特相位误差导致的SNR性能代价是多少？
• RQ4 在高SNR区域，所提方法相较于基于中心极限定理的近似方法的准确性如何？
• RQ5 直射链路的存在是否改变分集增益阶数？如果是，其影响机制是什么？

主要发现

• 在完美相位对齐条件下，IRS辅助系统的分集增益阶数为 $N+1$，其中 $N$ 为反射单元数量。
• 对于采用一比特相移的系统，分集增益阶数为 $rac{1}{2}(N+3)$，表明相比完美相位控制存在性能退化。
• 由于一比特相位量化，导致5 dB的SNR代价，这由完美与非完美相位配置之间的中断概率差距所证实。
• 所提方法在高SNR区域下比基于CLT的方法更精确地预测中断概率。
• 基于独立性假设的渐近分析能合理逼近真实的中断行为，从而验证了所推导分集增益阶数的正确性。
• 数值结果表明，增加反射单元数量可显著降低中断概率，当 $N$ 从8增加到16时，在-25 dB的中断目标下，中断概率降低了100倍。