This paper studies the feasibility of deploying intelligent reflecting surfaces (IRSs) in massive MIMO (multiple-input multiple-output) systems to improve the performance of users in the service dead zone. To reduce the channel training overhead, we advocate a novel protocol for the uplink communication in the IRS-assisted massive MIMO systems. Under this protocol, the IRS reflection coefficients are optimized based on the channel covariance matrices, which are generally fixed for many coherence blocks, to boost the long-term performance. Then, given the IRS reflecting coefficients, the BS beamforming vectors are designed in each coherence block based on the effective channel of each user, which is the superposition of its direct and reflected user-IRS-BS channels, to improve the instantaneous performance. Since merely the user effective channels are estimated in each coherence block, the training overhead of this protocol is the same as that in the legacy wireless systems without IRSs. Moreover, in the asymptotic regime that the numbers of IRS elements and BS antennas both go to infinity with a fixed ratio, we manage to first characterize the minimum mean-squared error (MMSE) estimators of the user effective channels and then quantify the closed-form user achievable rates as functions of channel covariance matrices with channel training overhead and estimation error taken into account. Interestingly, it is shown that the properties of channel hardening and favorable propagation still hold for the user effective channels, and satisfactory user rates are thus achievable even if simple BS beamforming solutions, e.g., maximal-ratio combining, are employed. Finally, thanks to the rate characterization, we design a low-complexity algorithm to optimize the IRS reflection coefficients based on channel covariance matrices.
翻译:本文研究在大型MIMO(多输出多输出多输出)系统中部署智能反射表面(IRS)的可行性,以提高服务死区用户的性能。 为了减少频道培训管理费, 我们主张为IRS辅助的大型MIMO系统中的上行连接通信制定新的协议。 根据这一协议, IRS反射系数以频道常态基质为基础优化, 通常为许多一致性区块固定, 以提升长期性能。 接着, 鉴于IRS反映系数, BS波形矢量在每一个一致性区块中设计, 以提高服务死区用户的性能。 为了降低频道直接和反映用户- IRS- BS 频道的高级性能, 因此,由于仅对用户的有效渠道进行估算, 该协议的高级成本与遗留的没有IRS的无线系统相同。 此外, 在软性制度中, IRS 元素和 BSE 天线的性向精确度设计量, 甚至以固定比率为基础, 我们管理将用户-IRS-S 的可实现性流率, 将用户- 和 数据流流流流流中最精确性 的性计算, 我们显示用户- 将用户- 的准确性 数据- 数据- 质量- 的准确性 计算, 将用户- 的准确性 将用户- 计算 将 将 的 的 将 的 的 以 以 以 的 以 和 的 的 的 的 以 将 的 的 将 将 以 将 和 将 流流流流压值 的 的 的 的 的 将用户- 度 的 的 的 的 以 以 将 将 以 将 将 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 以 以 以 以 以 以 以 以 的 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 的 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以 以