[论文解读] Analysis and Optimization for RIS-Aided Multi-Pair Communications Relying on Statistical CSI

Zhangjie Peng, Tianshu Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于遗传算法（GA）的优化框架，用于利用统计信道状态信息（CSI）的可重构智能表面（RIS）辅助多对通信。它推导出一个近似可实现速率表达式，并表明每个RIS单元仅使用3比特量化相位偏移即可实现接近最优的性能，与连续相位偏移相比，GA方法在总速率性能上几乎与全局最优解一致。

ABSTRACT

In this paper, we investigate a reconfigurable intelligent surface (RIS) aided multi-pair communication system, in which multi-pair users exchange information via an RIS. We derive an approximate expression of the achievable rate by assuming that statistical channel state information (CSI) is available. A genetic algorithm (GA) to solve the rate maximization problem is proposed as well. In particular, we consider implementations of RISs with continuous phase shifts (CPSs) and discrete phase shifts (DPSs). Simulation results verify the correctness of the obtained results and show that the proposed GA method has almost the same performance as the globally optimal solution. In addition, numerical results show that three quantization bits can achieve a large portion of the sum achievable rate for the CPSs setup.

研究动机与目标

• 解决在视 Line-of-sight（LoS）链路被阻塞的环境中，低速率、高复杂度的多对通信挑战。
• 为在统计CSI条件下实现RIS辅助系统提出一种实用的相位偏移优化方法，该方法比瞬时CSI更具可行性。
• 从可实现总速率的角度，评估连续相位偏移（CPSs）与离散相位偏移（DPSs）之间的性能权衡。
• 提供关于实现接近最优性能所需最小量化比特数的工程洞察。

提出的方法

• 基于统计CSI，推导出在Rician衰落信道下可实现总速率的近似闭式表达式。
• 提出一种遗传算法（GA），用于优化RIS单元在连续（CPSs）和离散（DPSs）相位偏移配置下的相位偏移。
• 建立K对用户对的RIS辅助多对通信系统模型，其中每对通过具有L个反射单元的RIS进行通信，且两条链路均采用Rician衰落信道模型。
• 将GA设置为种群大小100，进化50代，交叉率和变异率分别设为0.5和0.1，收敛阈值为$10^{-6}$。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析速率表达式的准确性，并将GA性能与随机相位偏移和穷举搜索方法进行比较。
• 评估量化比特数（B）对总速率性能的影响，特别关注B=3的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 当仅能获取统计CSI时，RIS辅助多对通信系统的可实现速率性能如何？
• RQ2 基于遗传算法的相位偏移优化方法在总速率性能上与全局最优解相比如何？
• RQ3 每个RIS单元所需的最小量化比特数是多少，才能实现连续相位偏移性能的大部分？
• RQ4 Rician因子如何影响总速率性能，以及优化与随机相位偏移方案之间的差距？

主要发现

• 推导出的可实现总速率分析表达式与蒙特卡洛仿真结果高度一致，验证了理论框架的正确性。
• 所提出的基于GA的优化方法在总速率性能上几乎与通过穷举搜索获得的全局最优解一致，尤其在低信噪比（SNR）和中等Rician因子条件下表现优异。
• 仅使用每个RIS单元3比特量化相位偏移，系统即可实现连续相位偏移约95%的总速率性能，表明在低硬件复杂度下仍可实现高 spectral efficiency。
• 与预期一致，总可实现速率随RIS单元数L和信噪比（SNR）的增加而提升，在高SNR时观察到显著的性能增益。
• 随着Rician因子增大，GA优化与随机相位偏移方案之间的性能差距趋于固定值，表明LoS主导时优化的增益降低。