核心概念
在多天線基地台服務多個用戶群的無線網路中,當可用的智慧反射表面 (IRS) 元素總數較多時,分散式 IRS 架構由於其更高的空間多工增益而優於集中式 IRS 架構,而集中式 IRS 架構在 IRS 元素總數較少的情況下由於其較高的被動波束成形增益而具有優勢。
論文資訊
陳廣濟、吳青青、陳文、侯延召、簡孟楠、張順清、李軍。 (2024)。 智慧反射表面輔助 MIMO 網路:分散式或集中式架構?[arXiv 預印本]。 https://arxiv.org/abs/2310.01742v2
研究目標
本論文旨在探討在多天線基地台 (BS) 服務多個用戶群的無線網路中,分散式和集中式智慧反射表面 (IRS) 部署架構的容量性能。
方法
作者首先在視距 (LoS) 傳播和均勻通道設置的假設下,推導了分散式和集中式 IRS 架構的最大可實現速率的閉式表達式。然後,他們通過分析空間多工增益和被動波束成形增益之間的權衡,從理論上比較了這兩種架構的容量。最後,針對分散式 IRS 架構,作者提出了一種基於空間劃分多址 (SDMA) 和時分多址 (TDMA) 的混合多址方案,並研究了 IRS 元素分配問題。
主要發現
分散式 IRS 的容量在 IRS 元素總數超過一定閾值時高於集中式 IRS,這與先前研究單天線 BS 情況的結論不同。
分散式 IRS 的優勢源於其更高的空間多工增益,使其能夠在高信噪比區域實現更高的 sum-rate。
集中式 IRS 在 IRS 元素總數較少的情況下由於其較高的被動波束成形增益而表現更好。
主要結論
對於 IRS 輔助的多天線無線網路,當可用的 IRS 元素總數較多時,分散式 IRS 部署架構比集中式 IRS 部署架構更有利於提高系統容量。
意義
這項研究為在實際場景中部署 IRS 提供了有價值的見解,突出了 IRS 元素總數、空間多工增益和被動波束成形增益之間的權衡。
局限性和未來研究
本研究假設 LoS 傳播和均勻通道設置,這可能無法準確反映實際場景。
未來研究可以探討更實際的通道模型和 IRS 部署方案。
此外,還可以研究 IRS 輔助多天線網路中的其他性能指標,例如能量效率和覆蓋範圍。
統計資料
BS 配備 M 根天線,所有用戶配備單根天線。
總共部署了 N 個 IRS 反射元件來增強無線傳輸。
對於分散式 IRS,N 個 IRS 元件被分組為 K 個分散式 IRS,其中 IRS k(k ∈ K)具有 Nk 個 IRS 元件,部署在用戶群 Ak 附近,受限於 ΣNk (k=1 到 K) = N。
對於集中式 IRS,所有可用的 N 個 IRS 元件形成一個單獨的 IRS,部署在 BS 附近。
假設每個用戶群 Ak 中有 L 個用戶。
兩跳路徑損耗通過 IRS 鏈路設置為 ρCgρCr,k = ρDg,kρDr,k = -140 dB,∀k。
在分散式 IRS 架構下,每個 IRS 的 IRS 元件數量設置為 Nk = N/K,∀k。
M = 5,K = 4。
Pmax = 30 dBm,σ2 = -90 dBm。