[论文解读] Hybrid Beamforming for Reconfigurable Intelligent Surface based Multi-user Communications: Achievable Rates with Limited Discrete Phase Shifts

Boya Di, Hongliang Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用 16

一句话总结

本文提出了一种用于可重构智能表面（RIS）辅助多用户下行链路通信的混合波束成形方案，其中基站采用连续数字波束成形，而RIS则应用有限的离散相移。结果表明，通过合理设计RIS尺寸并仅使用少量离散相移，系统可通过优化波束成形以抑制用户间干扰并增强信号方向性，从而实现高 sum rate。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has drawn considerable attention from the research society recently, which creates favorable propagation conditions by controlling the phase shifts of the reflected waves at the surface, thereby enhancing wireless transmissions. In this paper, we study a downlink multi-user system where the transmission from a multi-antenna base station (BS) to various users is achieved by the RIS reflecting the incident signals of the BS towards the users. Unlike most existing works, we consider the practical case where only a limited number of discrete phase shifts can be realized by the finite-sized RIS. Based on the reflection-dominated one-hop propagation model between the BS and users via the RIS, a hybrid beamforming scheme is proposed and the sum-rate maximization problem is formulated. Specifically, the continuous digital beamforming and discrete RIS-based analog beamforming are performed at the BS and the RIS, respectively, and an iterative algorithm is designed to solve this problem. Both theoretical analysis and numerical validations show that the RIS-based system can achieve a good sum-rate performance by setting a reasonable size of RIS and a small number of discrete phase shifts.

研究动机与目标

• 解决在实际硬件约束下，RIS辅助多用户下行链路系统中用户间干扰的挑战。
• 研究RIS上有限的离散相移对系统和速率性能的影响。
• 设计一种混合波束成形框架，联合优化基站处的数字波束成形与RIS处的离散模拟波束成形。
• 确定实现近似最优和速率所需的最小RIS尺寸与相移分辨率。
• 建立RIS-based混合波束成形可模拟全数字波束成形的理论条件。

提出的方法

• 通过RIS在反射主导的一跳传播模型下，建立和速率最大化问题。
• 将多天线基站处的连续数字波束成形与RIS处的离散相移波束成形相结合。
• 提出一种迭代算法，联合优化数字预编码器与RIS相移。
• 通过变量替换，利用线性近似将非凸优化问题转化为可处理的形式。
• 利用几何级数性质，推导出使不同基站天线信号正交化至同一用户所需的条件。
• 推导出实现全数字波束成形性能所需的RIS尺寸与相移分辨率的理论边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS上离散相移的数量如何影响多用户RIS辅助系统中可实现的和速率？
• RQ2 在相移分辨率有限的情况下，实现近似最优和速率所需的最小RIS尺寸是多少？
• RQ3 RIS-based混合波束成形能否模拟全数字波束成形？在何种条件下可以实现？
• RQ4 当在RIS上使用离散相移时，如何最小化用户间干扰？
• RQ5 在反射主导的信道模型中，RIS单元间距、相移量化与信号方向性之间存在何种关系？

主要发现

• 所提出的混合波束成形方案即使在RIS上仅有2–4个离散相移时，也能实现高和速率。
• 当 $ N_R^2 imes N_R^2 $ 时，具有 $ N_R^2 imes N_R^2 $ 个元素的RIS可模拟全数字波束成形，其中 $ N_t $ 为基站天线数。
• 理论分析表明，$ N_t imes N_R^2 imes K $ 是通过RIS-based混合波束成形实现全数字波束成形的充分条件。
• 数值结果证实，增加RIS元素数量可显著提升和速率，尤其在结合更高相移分辨率时效果更明显。
• 系统性能对RIS单元与用户位置的对齐高度敏感，当路径损耗与相移联合优化时可实现最佳性能。
• 通过合理的RIS相移设计，可实现不同基站天线信号向同一用户正交化，从而最小化用户内干扰。