[论文解读] 3D Beamforming in Reconfigurable Intelligent Surfaces-assisted Wireless Communication Networks.

S. Mohammad Razavizadeh, Tommy Svensson|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在RIS增强的无线网络中使用基站全维数阵列的3D波束成形方案，通过联合优化辐射图、RIS相位移和俯仰/仰角，提升频谱效率和信噪比（SNR）。该方案通过三维波前控制与联合优化，相较于传统系统实现显著性能增益。

ABSTRACT

Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) or Intelligent Reflecting Surfaces (IRS) are metasurfaces that can be deployed in various places in wireless environments to make these environments controllable and reconfigurable. In this paper, we investigate the problem of using 3D beamforming in RIS-empowered wireless networks and propose a new scheme that provides more degrees of freedom in designing and deploying the RIS-based networks. In the proposed scheme, a base station (BS) equipped with a full dimensional array of antennas optimizes its radiation pattern in the three dimensional space to maximize the received signal to noise ratio at a target user. We also study the effect of angle of incidence of the received signal by the RIS on its reflecting properties and find a relation between this angle and the BS antenna array's tilt and elevation angles. The user receives the signal from a reflected path from the RIS as well as from a direct path from the BS which both depend on the BS antenna array's tilt and elevation angles. These angles and also the RIS element's phase shifts are jointly numerically optimized. Our simulation results show that using RIS-assisted 3D beamforming with optimized phase shifts and radiation angles can considerably improve the performance of wireless networks.

研究动机与目标

• 通过引入使用全维数阵列的3D波束成形，解决传统RIS辅助系统中自由度受限的问题。
• 研究入射角对RIS反射特性的影响及其与基站阵列俯仰和仰角的关系。
• 联合优化基站辐射图与RIS相位移，以最大化用户端接收的信噪比（SNR）。
• 对RIS辅助网络中的直射与反射信号路径进行建模并加以利用，以提升系统性能。
• 展示在RIS与波束成形参数优化下，3D波束成形相较于传统2D波束成形的性能增益。

提出的方法

• 在基站使用全维数阵列，以在三维空间中控制辐射图，实现方位角与俯仰角的动态波束赋形。
• 将RIS处的信号反射建模为入射角的函数，建立该角度与基站阵列俯仰和仰角之间的数学关系。
• 联合优化基站波束成形向量与RIS单元相位移，以最大化用户端接收的信噪比（SNR）。
• 考虑从基站到用户的直射与反射信号路径，其中反射路径依赖于RIS配置与入射角。
• 采用数值优化技术，在实际约束条件下求解联合波束成形与相位移设计问题。
• 推导出RIS反射效率与入射角之间的关系，该关系受基站波束俯仰和仰角的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统2D波束成形相比，使用全维数阵列的3D波束成形如何提升RIS增强无线网络的性能？
• RQ2 RIS上的入射角与基站阵列俯仰和仰角之间存在何种关系？
• RQ3 在RIS辅助系统中，直射与反射信号路径如何共同贡献于接收SNR？
• RQ4 同时优化波束成形与RIS相位移对系统频谱效率与覆盖范围有何影响？
• RQ5 RIS反射增益如何随入射角变化？该特性在波束成形设计中如何被利用？

主要发现

• 所提出的3D波束成形方案通过联合优化波束成形与RIS相位移，在用户端显著提升了接收信噪比（SNR）。
• RIS上的入射角直接受基站阵列俯仰与仰角的影响，进而影响反射效率。
• 联合优化波束成形与RIS相位移相较于固定或次优配置的系统，实现了显著的性能增益。
• 在系统模型中同时包含直射与反射信号路径，可提升分集增益并改善链路可靠性。
• 仿真结果证实，通过优化RIS部署的3D波束成形可显著提升RIS增强场景下的频谱效率与网络覆盖。
• 所提出的方案在网络设计中引入了额外的自由度，使复杂环境中无线通信更加灵活与鲁棒。