[论文解读] Joint Reflecting and Precoding Designs for SER Minimization in Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted MIMO Systems

Jia Ye, Shuaishuai Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种联合反射与预编码设计，以最小化具有有限星座输入的可重构智能表面（RIS）辅助MIMO系统中的符号误码率（SER）。通过使用新型算法——eMSER-Reflecting、vMSER-Reflecting、MSER-Precoding和MMED-Precoding，交替优化RIS相位偏移与预编码矩阵，该方案在现有方法基础上实现了显著的SER增益，尤其在信道状态信息（CSI）不完善且实现复杂度较低的情况下表现更优。

ABSTRACT

This paper investigates the use of a reconfigurable intelligent surface (RIS) to aid point-to-point multi-data-stream multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications. With practical finite alphabet input, the reflecting elements at the RIS and the precoder at the transmitter are alternatively optimized to minimize the symbol error rate (MSER). In the reflecting optimization with a fixed precoder, two reflecting design methods are developed, referred as eMSER-Reflecting and vMSER-Reflecting. In the optimization of the precoding matrix with a fixed reflecting pattern, the matrix optimization is transformed to be a vector optimization problem and two methods are proposed to solve it, which are referred as MSER-Precoding and MMED-Precoding. The superiority of the proposed designs is investigated by simulations. Simulation results demonstrate that the proposed reflecting and precoding designs can offer a lower SER than existing designs with the assumption of complex Gaussian input. Moreover, we compare RIS with a full-duplex Amplify-and-Forward (AF) relay system in terms of SER to show the advantage of RIS.

研究动机与目标

• 解决在实际有限星座输入条件下，RIS辅助MIMO系统中符号误码率（SER）最小化的问题。
• 克服以往设计中假设输入为复高斯信号的局限性，这些假设无法反映真实世界中的信号星座图。
• 在信道状态信息（CSI）不完善条件下，开发低复杂度且鲁棒的联合RIS相位偏移与预编码矩阵优化框架。
• 证明RIS在SER和能量效率方面优于全双工放大转发（AF）中继系统的优越性。
• 研究在实际硬件限制和CSI不完善条件下，反射与预编码设计之间的性能权衡。

提出的方法

• 提出eMSER-Reflecting和vMSER-Reflecting算法，用于在预编码固定时对RIS相位偏移进行优化，通过迭代调整相位以最小化SER。
• 将预编码矩阵优化转化为向量优化问题，以降低计算复杂度。
• 引入MSER-Precoding和MMED-Precoding算法用于预编码设计，利用奇异值分解和特征波束成形技术，使其与RIS引起的信道响应相匹配。
• 采用交替优化框架，以迭代方式联合优化RIS相位偏移与预编码矩阵。
• 应用半定规划（SDP）和特征分解技术，在功率约束下推导出近似最优解。
• 通过在信道矩阵中引入加性复高斯噪声，对不完美CSI进行建模，以评估算法的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过联合反射与预编码设计，最小化具有有限星座输入的RIS辅助MIMO系统中的SER？
• RQ2 RIS相位偏移设计与预编码设计对SER性能的相对影响是什么？
• RQ3 所提出的算法在信道状态信息（CSI）不完善条件下的表现如何？
• RQ4 RIS辅助系统是否能在SER和能量效率方面优于全双工AF中继系统？
• RQ5 增加RIS中反射单元数量的性能增益是多少？

主要发现

• 在σ²ₑ = 0.1且CSI完美时，所提出的vMSER-MMED方案相较于随机联合设计，SER增益约为10–15 dB。
• 在σ²ₑ = 0.3时，vMSER-MMED方案相较于随机设计实现约5–6 dB的SER增益，表明其对CSI不完善具有良好的鲁棒性。
• 在CSI不完善条件下，vMSER-MMED方案在低信噪比（SNR）时比SDP-Eigen方案高出2–3 dB，在高SNR时高出6–7 dB。
• 在RIS中增加10个额外反射单元可带来7–8 dB的SER增益，使系统性能接近无噪声的AF中继系统。
• 随着中继噪声增加，RIS与AF中继系统之间的SER性能差距逐渐缩小，但当RIS反射单元数量较多时，RIS仍表现更优。
• 在离散输入星座图系统中，反射设计在SER最小化中比预编码设计起着更为关键的作用。