[论文解读] Uplink Achievable Rate of Intelligent Reflecting Surface-Aided Millimeter-Wave Communications with Low-Resolution ADC and Phase Noise

Kangda Zhi, Cunhua Pan+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用 10

一句话总结

本文推导了在基站采用低分辨率ADC和IRS反射单元存在相位噪声的联合硬件损伤下，智能反射面（IRS）辅助毫米波系统上行链路的可实现速率。结果表明，当IRS元素数量趋于无穷大时，系统性能仅受限于ADC分辨率；而在理想ADC条件下，相位噪声仅导致恒定的速率损失，验证了在低分辨率接收机下采用低精度IRS部署的可行性。

ABSTRACT

In this paper, we derive the uplink achievable rate expression of intelligent reflecting surface (IRS)-aided millimeter-wave (mmWave) systems, taking into account the phase noise at IRS and the quantization error at base stations (BSs). We show that the performance is limited only by the resolution of analog-digital converters (ADCs) at BSs when the number of IRS reflectors grows without bound. On the other hand, if BSs have ideal ADCs, the performance loss caused by IRS phase noise is a constant. Finally, our results validate the feasibility of using low-precision hardware at the IRS when BSs are equipped with low-resolution ADCs.

研究动机与目标

• 分析低分辨率ADC与IRS相位噪声对毫米波系统上行链路可实现速率的影响。
• 推导在联合硬件损伤下的可实现速率的闭式表达式。
• 表征当IRS反射单元数量增加时系统的渐近行为。
• 评估在IRS与基站均采用低精度硬件的可行性。

提出的方法

• 推导了在低分辨率ADC与相位噪声下，IRS辅助毫米波系统上行链路可实现速率的闭式表达式。
• 将IRS相位偏移建模为有限分辨率 $ B $ 内的均匀分布量化值，引入相位噪声。
• 应用大数定律，分析当 $ N \to \infty $ 时有效信道增益的渐近行为。
• 使用sinc函数近似来建模相位量化对阵列增益的影响。
• 推导在不同硬件约束下的可实现速率渐近表达式。
• 通过给定分辨率约束下性能损失阈值的分析，验证理论结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 基站采用低分辨率ADC如何影响IRS辅助毫米波上行链路系统的可实现速率？
• RQ2 由于有限分辨率相位偏移导致的IRS相位噪声对系统性能有何影响？
• RQ3 随着IRS元素数量的增加，性能限制是否从相位噪声转变为ADC分辨率？
• RQ4 当基站使用低分辨率ADC时，是否可实际部署低精度IRS元件？
• RQ5 为满足给定的速率损失阈值，IRS相位偏移与ADC所需的最低分辨率分别是多少？

主要发现

• 当IRS反射单元数量 $ N \to \infty $ 时，可实现速率仅受限于基站ADC的分辨率。
• 在理想（无限分辨率）ADC条件下，由于IRS相位噪声导致的性能损失保持恒定，与 $ N $ 无关，表明相位量化存在根本性限制。
• 可实现速率表达式渐近收敛至 $ \log_2\left(1 + \frac{\gamma P |\alpha\beta|^2 N^2 M}{\gamma + (1 - \gamma)(1 + P|\alpha\beta|^2 N^2)}\right) $，其中 $ \gamma $ 为ADC分辨率。
• 相位噪声通过sinc函数 $ \text{sinc}(\pi / 2^B) $ 降低阵列增益，该函数量化了因相位量化导致的有效信道增益损失。
• 对于给定的速率损失阈值 $ \delta $，IRS的分辨率 $ B $ 与ADC的分辨率 $ \gamma $ 可通过涉及 $ \text{sinc}(\pi / 2^B) $ 和信噪比表达式的不等式推导得出。
• 由于相位噪声导致的速率损失是有限的，且不随 $ N $ 增大而增长，因此在结合低分辨率ADC时，低精度IRS是一种可行选择。