[논문 리뷰] Codebook Design and Baseband Precoding for Pragmatic Array-Fed RIS Hybrid Multiuser MIMO

Krishan Kumar Tiwari, Giuseppe Caire|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 0

한 줄 요약

본 논문은 실용적 AMAF-RIS 하이브리드 MU-MIMO 아키텍처를 다중경로 mmWave 채널로 확장하고, 플랫탑 빔을 갖는 계층적 빔포밍 코드북과 ZF를 이용한 저복잡도 베이스밴드 프리코딩 전략을 제안한다. 현실적인 3D vMF 다중경로 모델과 CSI 추정 및 빔 획득을 위한 표준 5GNR 파일럿을 통합한다.

ABSTRACT

In our previous work [2], we introduced a hardware- and power-efficient architecture for hybrid digital-analog (HDA) multiuser MIMO (MU-MIMO) based on stacking identical basic modules. Each module consists of a small active multi-antenna feeder (AMAF) placed in the near field of a larger reflective intelligent surface (RIS). Each AMAF is driven by one RF chain and conveys one spatial stream, achieving a multiplexing gain of $K$ with $K$ stacked modules. While [2] focused on module design and efficiency compared to active arrays, performance was evaluated only under pure line-of-sight (LOS) conditions. This work extends our approach in several ways. First, we propose a simple, pragmatic method for designing phase-only flat-top beams for the AMAF-RIS module, enabling wide angular coverage with low ripple and sidelobes. This design supports hierarchical beamforming codebooks for efficient beam acquisition. Second, we evaluate MU-MIMO performance under realistic mmWave multipath channels including both LOS and non-LOS (NLOS) components modeled using a 3D von Mises-Fisher distribution. We propose a low-complexity HDA MU-MIMO framework with: user-beam association via standard beam acquisition; dynamic user grouping (one user per beam); effective baseband MIMO channel estimation using 3GPP-compliant pilots; and downlink transmission with zero-forcing precoding under per-antenna power constraints. Results show high spectral efficiency and multiplexing gain while preserving hardware simplicity and power efficiency. Crucially, the approach is fully compliant with 3GPP 5GNR beam acquisition and sounding reference signaling mechanisms.

연구 동기 및 목표

• 다중경로 mmWave 환경에서 작동할 수 있는 실용적이고 하드웨어 효율적인 AMAF-RIS MU-MIMO 아키텍처를 개발한다.
• 플랫탑 빔으로 효율적인 빔 획득을 가능하게 하는 계층적 빔포밍 코드북을 설계한다.
• 성능 평가를 위한 3D von Mises-Fisher 산란체를 이용한 현실적인 다중경로 채널 모델을 도입한다.
• 5GNR 파일럿과 호환되는 채널 추정 및 ZF 프리코딩을 갖춘 저복잡도 베이스밴드 처리 체인을 제안한다.

제안 방법

• 분리 가능한 진폭 프로필 |U1| 및 Parks-McClellan 이진 위상 패턴을 이용한 1D ULA 빔 설계로 실용적인 플랫탑 빔을 설계한다.
• 사이드로우를 제어하면서 빔을 넓히고 형성하기 위한 위상 섭동 및 국소 최적화를 수행한다.
• 1D 빔 설계의 데카르트 곱으로 2D RIS 빔포밍 코드북을 구성한다.
• LOS+NLOS를 포함하는 다경로 채널을 K 명의 사용자에 대해 3D von Mises-Fisher 산란체 분포로 모델링한다.
• 표준 3GPP SRS 파일럿과 상호대칭을 이용한 효과적 K×K 베이스밴드 채널의 채널추정과 각 안테나 포트 전력 제약을 갖춘 ZF 프리코딩을 적용한다.
• 동적 MU-MIMO 사용자 그룹화(빔당 한 사용자)와 함께 표준 5GNR 유사 코드북을 사용하여 빔 획득 및 사용자-빔 연계를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적 AMAF-RIS MU-MIMO 시스템에서 효율적인 빔 획득을 가능하게 하는 계층적, 플랫탑 RIS 기반 빔을 어떻게 설계하는가?
• RQ2 다중 경로 간섭을 보상하기 위해 per-antenna 제약이 있는 저복잡도 베이스밴드 프리코딩 전략(ZF)이 RIS-구동 배열 아키텍처에서 효과적인가?
• RQ3 현실적인 3D 다중경로(vMF 산란체) 가 가까운 말단 간섭과 원거리 간섭 및 전체 MU-MIMO 성능에 어떤 영향을 주는가?
• RQ4 제안된 AMAF-RIS 접근 방식이 5GNR 빔 획득 및 SRS 파일럿 기반 CSI 추정 절차와 호환되는가?
• RQ5 AMAF-RIS의 진폭 프로필 분리성이 빔포밍의 유연성 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 플랫탑 빔 설계는 이진 위상 프로파일과 위상 섭동 plus 국소 최적화를 통해 낮은 사이드로를 갖는 가변 빔폭을 달성한다.
• AMAF-RIS 다중 모듈 구조는 베이스밴드 ZF 프리코딩과 결합될 때 다중경로 환경에서 높은 스펙트럴 효율과 공간 다중화 성능을 달성할 수 있다.
• von Mises-Fisher 산란체를 기반으로 한 현실적인 3D 다중경로 모델은 LOS 및 NLOS 구성요소에서 MU-MIMO 성능을 구조적으로 기하학적으로 일관되게 평가한다.
• RIS 코드북 설계와 베이스밴드 처리기는 5GNR 빔 획득 및 SRS 파일럿 기반 CSI 추정과 완전히 호환된다.
• NEXT 및 FEXT 효과는 제안된 프레임워크 내에서 특성화 및 제어되며 다중경로 시나리오에서 디지털 베이스밴드 처리의 필요성을 시사한다.
• 아날로그와 디지털 계수를 교대로 최적화하는 계산 비용이 큰 방법 대신 저차원의 유효 채널 추정과 전통적 디지털 프리코딩에 의존한다는 점을 보여준다.
• 이 접근법은 AMAF-RIS 빔 선택을 베이스밴드 ZF와 연결함으로써 다중경로 간섭에도 불구하고 각 사용자당 스펙트럴 효율을 회복할 수 있음을 시사한다.