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智慧反射表面輔助 MIMO 網路:分散式或集中式架構?


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。
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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。

深入探究

在毫米波或太赫茲頻段等更高頻率的無線網路中,分散式和集中式 IRS 架構的性能如何比較?

在毫米波或太赫茲頻段等更高頻率的無線網路中,分散式 IRS 架構相較於集中式 IRS 架構更具優勢。主要原因如下: 更嚴重的路徑損耗: 毫米波和太赫茲頻段的訊號具有更高的頻率,因此自由空間路徑損耗也更加嚴重。集中式 IRS 架構下,訊號需要經過兩段較長的路徑(基站到 IRS,IRS 到用戶),導致嚴重的路徑損耗。而分散式 IRS 架構可以將 IRS 部署在更靠近用戶的位置,有效縮短訊號傳播距離,降低路徑損耗的影響。 更强的方向性: 毫米波和太赫茲頻段的訊號具有更强的方向性,需要更精準的波束賦形才能保證訊號覆蓋。分散式 IRS 架構可以利用多個 IRS 進行更靈活的波束賦形,將訊號更精準地聚焦到目標用戶,提高訊號强度。 空間多工增益: 分散式 IRS 架構可以利用其空間上的分布性,為不同用戶提供獨立的反射路徑,從而實現空間多工,提高系統容量。而集中式 IRS 架構下,所有用戶共享同一個 IRS,空間多工的潜力有限。 然而,分散式 IRS 架構也存在一些缺點,例如部署成本更高、系統複雜度更高以及需要更複雜的信道估計和波束賦形演算法等。

如果考慮 IRS 相移的實際硬件限制,例如有限的相移分辨率和相移器誤差,那麼這兩種 IRS 部署架構的性能將如何受到影響?

考慮到 IRS 相移的實際硬件限制,例如有限的相移分辨率和相移器誤差,分散式和集中式 IRS 架構的性能都會受到影響,但影響程度有所不同: 集中式 IRS 架構: 由於所有反射單元集中於一個 IRS,相移器誤差會在反射鏈路上累積,導致波束賦形精度下降,進而影響訊號强度和接收信噪比。有限的相移分辨率也會限制波束賦形的精度,尤其是在用戶數量較多、需要更精細波束賦形的情況下。 分散式 IRS 架構: 每個 IRS 的反射單元數量較少,相移器誤差的累積效應相對較弱。此外,分散式 IRS 架構可以通過多個 IRS 的協作,彌補單個 IRS 波束賦形精度不足的問題。 總體而言,考慮到硬件限制,分散式 IRS 架構受硬件誤差的影響相對較小,鲁棒性更强。

除了容量之外,還有哪些其他因素可以影響 IRS 輔助無線網路中分散式和集中式架構的選擇,例如部署成本、維護複雜性和信號處理開銷?

除了容量之外,以下因素也會影響 IRS 輔助無線網路中分散式和集中式架構的選擇: 部署成本: 分散式 IRS 架構需要部署多個 IRS 設備,成本較高;而集中式 IRS 架構只需部署一個 IRS 設備,成本相對較低。 維護複雜性: 分散式 IRS 架構需要維護和管理多個 IRS 設備,複雜性較高;而集中式 IRS 架構的維護和管理相對簡單。 信號處理開銷: 分散式 IRS 架構需要更複雜的信道估計和波束賦形演算法,信號處理開銷較高;而集中式 IRS 架構的信號處理相對簡單。 覆蓋範圍: 集中式 IRS 架構的覆蓋範圍通常較小,而分散式 IRS 架構可以通過多個 IRS 的部署,靈活地擴展覆蓋範圍。 系統可靠性: 分散式 IRS 架構中,即使一個 IRS 出現故障,其他 IRS 仍然可以工作,保證系統的正常運行,可靠性更高。 因此,在選擇 IRS 部署架構時,需要綜合考慮容量、成本、維護、信號處理、覆蓋範圍和可靠性等多方面的因素,選擇最適合特定應用場景的方案。
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