[论文解读] MIMO Interference Channels Assisted by Reconfigurable Intelligent Surfaces: Mutual Coupling Aware Sum-Rate Optimization Based on a Mutual Impedance Channel Model

Andrea Abrardo, Davide Dardari+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 7被引用 11

一句话总结

本文提出了一种针对由多个可重构智能表面（RISs）增强的MIMO干扰信道的互耦感知和 sum-rate 优化算法，采用基于互阻抗的电路模型来捕捉紧密排列的RIS元件之间的电磁相互作用。该基于加权最小均方误差（wMMSE）和块坐标下降（BCD）的迭代算法具有可证明的收敛性，结果表明，在考虑互耦合的情况下，sum-rate 显著提升，尤其在亚波长RIS配置中表现更优。

ABSTRACT

We investigate a multi-user multiple-input multiple-output interference network in the presence of multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs). The entire system is described by using a circuit-based model for the transmitters, receivers, and RISs. This is obtained by leveraging the electromagnetic tool of mutual impedances, which accounts for the signal propagation and the mutual coupling among closely-spaced scattering elements. An iterative and provably convergent optimization algorithm that maximizes the sum-rate of RIS-assisted multi-user interference channels is introduced. Numerical results show that the sum-rate is enhanced if the mutual coupling among the elements of the RISs is accounted for at the optimization stage.

研究动机与目标

• 解决现有RIS辅助MIMO干扰信道中缺乏电磁兼容模型的问题，尤其针对紧密排列的RIS元件之间的互耦合效应。
• 设计一种可证明收敛的优化算法，以在多RIS、多用户MIMO系统中考虑互耦合效应的同时最大化sum-rate。
• 展示在设计过程中引入互耦合效应相比传统忽略互耦合的方法所能带来的性能增益。
• 提供一种基于电路的互阻抗信道模型，以精确表征RIS辅助网络中的信号传播与电磁相互作用。

提出的方法

• 采用基于互阻抗的电路框架对系统进行建模，以捕捉发射机、接收机与RIS元件之间的电磁相互作用。
• 通过电压源与负载阻抗关系推导出端到端信道矩阵，并利用互阻抗矩阵引入互耦合效应。
• 提出一种基于加权最小均方误差（wMMSE）和块坐标下降（BCD）的迭代算法，联合优化预编码矩阵与RIS反射系数。
• 该算法在优化预编码矩阵与RIS相位偏移之间交替进行，其收敛性由wMSE代价函数的非增特性保证。
• 互耦合矩阵通过[2, Lemma 2]中的解析表达式计算，确保信道模型的电磁兼容性。
• 优化框架在多用户MIMO场景下考虑了所有发射机-接收机对之间的干扰，适用于多个RIS的情形。

实验结果

研究问题

• RQ1 紧密排列的RIS元件之间的互耦合效应对MIMO干扰信道的sum-rate性能有何影响？
• RQ2 与传统模型相比，基于互阻抗的信道模型是否能提升RIS辅助系统优化的准确性？
• RQ3 在RIS优化过程中忽略互耦合效应会对最终sum-rate产生何种影响？
• RQ4 RIS元件数量及其元件间距如何影响互耦合感知带来的性能增益？
• RQ5 所提出的迭代算法是否能收敛到稳定解？与忽略耦合的不匹配设计相比，其性能如何？

主要发现

• 所提算法实现了可证明的收敛性，wMSE随迭代单调递减，sum-rate非递减。
• 在优化过程中考虑互耦合可显著提升sum-rate，尤其在元件间距≤λ/16的亚波长RIS配置中效果更明显。
• 当元件间距d = λ/16时，若在设计中引入互耦合，sum-rate显著提升，且该增益无法通过单纯增加元件数量完全补偿。
• 该算法可配置RIS在干扰接收机方向形成波束图零点，验证了通过干扰零点技术实现波束成形增益的有效性。
• 经优化的RIS等效阵因子（AF）在干扰接收机方向显示出与之对齐的深度零点，验证了算法抑制干扰的能力。
• 数值结果表明，忽略互耦合（MCU）的设计相比互耦合感知（MCA）设计性能明显下降，尤其在元件间距较小时更为显著。