[论文解读] Beyond Cell-free MIMO: Energy Efficient Reconfigurable Intelligent Surface Aided Cell-free MIMO Communications

Yutong Zhang, Boya Di+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 33被引用 7

一句话总结

本文提出了一种可重构智能表面（RIS）辅助的无蜂窝MIMO系统，通过利用RIS实现低成本的信号反射与波束成形，以提升能量效率。通过结合基站端的数字波束成形与RIS端的模拟波束成形，该系统采用迭代算法最大化能量效率，结果表明最优性能在很大程度上取决于RIS的数量与尺寸，相较于传统无蜂窝系统具有显著增益。

ABSTRACT

Cell-free systems can effectively eliminate the inter-cell interference by enabling multiple base stations (BSs) to cooperatively serve users without cell boundaries at the expense of high costs of hardware and power sources due to the large-scale deployment of BSs. To tackle this issue, the low-cost reconfigurable intelligent surface (RIS) can serve as a promising technique to improve the energy efficiency of cell-free systems. In this paper, we consider an RIS aided cell-free MIMO system where multiple RISs are deployed around BSs and users to create favorable propagation conditions via reconfigurable reflections in a low-cost way, thereby enhancing cell-free MIMO communications. To maximize the energy efficiency, a hybrid beamforming (HBF) scheme consisting of the digital beamforming at BSs and the RIS-based analog beamforming is proposed. The energy efficiency maximization problem is formulated and an iterative algorithm is designed to solve this problem. The impact of the transmit power, the number of RIS, and the RIS size on energy efficiency are investigated. Both theoretical analysis and simulation results reveal that the optimal energy efficiency depends on the numbers of RISs and the RIS size. Numerical evaluations also show that the proposed system can achieve a higher energy efficiency than conventional ones.

研究动机与目标

• 为解决传统无蜂窝MIMO系统因密集基站部署而导致的高能耗问题。
• 通过将低成本可重构智能表面（RIS）集成到无蜂窝MIMO架构中，提升能量效率。
• 联合优化基站端的数字波束成形与RIS端的相位移，以实现能量效率最大化。
• 分析RIS数量、尺寸及发射功率对系统能量效率的影响。

提出的方法

• 提出一种混合波束成形（HBF）架构，结合基站端的数字波束成形与RIS端的模拟波束成形。
• 建立系统模型，部署多个RIS于基站与用户周围，通过可重构反射实现有利的传播条件。
• 构建一个涉及发射功率、RIS配置及硬件约束的能量效率最大化问题。
• 设计一种迭代算法，在实际硬件与功率约束下，联合优化数字波束成形器与RIS相位移。
• 采用统计信道模型与近似方法，推导出和速率与能量效率的可处理表达式。
• 应用Jensen不等式与渐近分析，证明能量效率导数中关键项的负性，从而支持收敛性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 多RIS的集成如何影响无蜂窝MIMO系统的能量效率？
• RQ2 在无蜂窝MIMO系统中，为实现能量效率最大化，最优RIS数量与RIS尺寸分别是多少？
• RQ3 所提出的混合波束成形方案在能量效率方面相较于传统无蜂窝MIMO系统有何差异？
• RQ4 发射功率与RIS硬件参数对系统性能有何影响？

主要发现

• 最优能量效率对RIS数量与每个RIS的尺寸均高度敏感，且二者关系呈非单调特性。
• 当RIS尺寸较小时，能量效率随RIS尺寸增加而提升，但随后因RIS硬件功耗增加而下降。
• 该系统在能量效率方面优于传统无蜂窝MIMO系统，尤其在RIS与基站功率比有利时优势更明显。
• 理论分析表明，在$\mathcal{P}_s / (M \cdot P_R) > \ln(NP_T / (k\sigma^2))$条件下，RIS尺寸较小时能量效率导数为正，表明效率在饱和前持续提升。
• 数值结果验证了所提算法的收敛性，并显著优于基准方案的能量效率。