Intelligent reflecting surface (IRS) has recently received significant attention in wireless networks owing to its ability to smartly control the wireless propagation through passive reflection. Although prior works have employed the IRS to enhance the system performance under various setups, the fundamental capacity limits of an IRS aided multi-antenna multi-user system have not yet been characterized. Motivated by this, we investigate an IRS aided multiple-input single-output (MISO) broadcast channel by considering the capacity-achieving dirty paper coding (DPC) scheme and dynamic beamforming configurations. We first propose a bisection based framework to characterize its capacity region by optimally solving the sum-rate maximization problem under a set of rate constraints, which is also applicable to characterize the achievable rate region with the zero-forcing (ZF) scheme. Interestingly, it is rigorously proved that dynamic beamforming is able to enlarge the achievable rate region of ZF if the IRS phase-shifts cannot achieve fully orthogonal channels, whereas the attained gains become marginal due to the reduction of the channel correlations induced by smartly adjusting the IRS phase-shifts. The result implies that employing the IRS is able to reduce the demand for implementing dynamic beamforming. Finally, we analytically prove that the sum-rate achieved by the IRS aided ZF is capable of approaching that of the IRS aided DPC with a sufficiently large IRS in practice. Simulation results shed light on the impact of the IRS on transceiver designs and validate our theoretical findings, which provide useful guidelines to practical systems by indicating that replacing sophisticated schemes with easy-implementation schemes would only result in slight performance loss.


翻译:由于能够通过被动反射对无线传播进行智能控制,反映表面(IRS)的智能最近在无线网络中受到极大关注。虽然先前的工程已利用IRS在各种设置下提高系统性能,但IRS所帮助的多安特纳多用户系统的基本能力限度尚未确定。为此,我们调查了IRS所帮助的多投入单发输出(MISO)广播频道,考虑到能力达到的脏纸张编码(DPC)和动态成形配置。我们首先提出一个基于两部分的框架,通过在一系列费率限制下最妥善解决超标最大化问题来描述其能力区域。这也适用于用零前(ZF)计划来描述可实现的费率区域。有趣的是,我们严格地证明如果IRS系统的实用性变换版无法完全实现,则能够扩大ESDRS的可实现率区域,而已经实现的收益则由于降低频道的大规模影响,在一套节率限制下,通过智能的汇率调整,我们用IMS系统进行快速的变换,意味着我们用IMS的系统进行S的简化的变换结果。

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