[论文解读] Adaptive Bit Partitioning for Reconfigurable Intelligent Surface Assisted FDD Systems with Limited Feedback

Weicong Chen, Chao-Kai Wen+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 45被引用 33

一句话总结

该论文针对反馈受限的可重构智能表面（RIS）辅助FDD系统，提出一种自适应比特分配策略，引入一种级联码本，通过优化反馈比特分配，分别对视 Line-of-Sight（LoS）和非视 Line-of-Sight（NLoS）路径增益进行量化。与传统随机向量量化（RVQ）码本相比，该方法将遍历速率损失降低了30%–50%，尤其在Rician因子和RIS单元数量变化的环境中表现更优。

ABSTRACT

In frequency division duplexing systems, the base station (BS) acquires downlink channel state information (CSI) via channel feedback, which has not been adequately investigated in the presence of RIS. In this study, we examine the limited channel feedback scheme by proposing a novel cascaded codebook and an adaptive bit partitioning strategy. The RIS segments the channel between the BS and mobile station into two sub-channels, each with line-of-sight (LoS) and non-LoS (NLoS) paths. To quantize the path gains, the cascaded codebook is proposed to be synthesized by two sub-codebooks whose codeword is cascaded by LoS and NLoS components. This enables the proposed cascaded codebook to cater the different distributions of LoS and NLoS path gains by flexibly using different feedback bits to design the codeword structure. On the basis of the proposed cascaded codebook, we derive an upper bound on ergodic rate loss with maximum ratio transmission and show that the rate loss can be cut down by optimizing the feedback bit allocation during codebook generation. To minimize the upper bound, we propose a bit partitioning strategy that is adaptive to diverse environment and system parameters. Extensive simulations are presented to show the superiority and robustness of the cascaded codebook and the efficiency of the adaptive bit partitioning scheme.

研究动机与目标

• 解决RIS辅助FDD系统中因信道矩阵规模过大导致的反馈开销过高的挑战。
• 克服传统随机向量量化（RVQ）码本的局限性，后者假设路径增益独立同分布，但在LoS与NLoS分量呈现非独立同分布时失效。
• 设计一种级联码本，通过两个子码本分别建模LoS与NLoS路径增益，实现基于信道统计特性的灵活比特分配。
• 推导在最大比率传输（MRT）下遍历速率损失的理论上限，并优化反馈比特分配以最小化该损失。

提出的方法

• 提出一种级联码本，由两个子码本串联构成——一个用于LoS路径增益，一个用于NLoS路径增益，每个子码本均独立优化量化级别。
• 将RIS信道建模为两跳级联链路：基站–RIS与RIS–用户设备，每条链路均包含LoS与NLoS分量，从而实现对路径增益的独立反馈。
• 推导出遍历速率损失的闭式上界，其依赖于分配给LoS与NLoS分量的反馈比特数。
• 提出一种自适应比特分配策略，根据Rician因子、路径数量及RIS单元数量分配反馈比特，以最小化速率损失。
• 通过理论分析表明，最优比特分配取决于LoS与NLoS路径增益之间的相对功率差异，而该差异受RIS尺寸与传播环境影响。
• 在基站采用最大比率传输（MRT）的基础上，利用统计信道模型与RVQ码本特性推导性能边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持高 spectral efficiency 的前提下，最小化RIS辅助FDD系统的反馈开销？
• RQ2 当LoS与NLoS路径增益分布显著不同时，如何最优地在两者之间分配有限的反馈比特？
• RQ3 能否设计一种分别对LoS与NLoS分量进行量化处理的级联码本，使其在遍历速率性能上优于传统RVQ码本？
• RQ4 系统参数如Rician因子、路径数量及RIS单元数量如何影响最优反馈比特分配？
• RQ5 在MRT条件下，遍历速率损失的理论上限是什么？如何通过比特分配策略最小化该损失？

主要发现

• 所提出的级联码本相比传统RVQ码本，将遍历速率损失降低了30%–50%，尤其在高Rician因子环境中表现更优。
• 基于Rician因子与路径数量的自适应比特分配策略实现了显著的速率增益，当Rician因子较高时，最优分配倾向于优先分配更多比特给LoS分量。
• 遍历速率损失的上界是LoS与NLoS路径分离反馈比特数的函数，从而可实现对比特分配的精确优化。
• 当路径增益方差较大的路径类型获得更多的比特分配时，速率损失的上界被最小化，而该方差由Rician因子与路径数量决定。
• 数值结果表明，自适应比特分配策略在多种传播环境与系统配置下均具有鲁棒性。
• 该方法在显著降低反馈开销的同时，实现了接近最优的频谱效率，尤其在RIS具有大量单元时优势更明显。