[论文解读] Codebook Design and Baseband Precoding for Pragmatic Array-Fed RIS Hybrid Multiuser MIMO

Krishan Kumar Tiwari, Giuseppe Caire|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2026

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 0

一句话总结

该论文将务实的 AMAF-RIS 混合 MU-MIMO 架构扩展到多径 mmWave 信道，提出具有平顶波束的分层波束成形码本，以及使用 ZF 的低复杂度基带预编码策略。它集成了一个现实的 3D vMF 多径模型和标准的 5GNR 信道探测信号用于 CSI 估计和波束获取。

ABSTRACT

In our previous work [2], we introduced a hardware- and power-efficient architecture for hybrid digital-analog (HDA) multiuser MIMO (MU-MIMO) based on stacking identical basic modules. Each module consists of a small active multi-antenna feeder (AMAF) placed in the near field of a larger reflective intelligent surface (RIS). Each AMAF is driven by one RF chain and conveys one spatial stream, achieving a multiplexing gain of $K$ with $K$ stacked modules. While [2] focused on module design and efficiency compared to active arrays, performance was evaluated only under pure line-of-sight (LOS) conditions. This work extends our approach in several ways. First, we propose a simple, pragmatic method for designing phase-only flat-top beams for the AMAF-RIS module, enabling wide angular coverage with low ripple and sidelobes. This design supports hierarchical beamforming codebooks for efficient beam acquisition. Second, we evaluate MU-MIMO performance under realistic mmWave multipath channels including both LOS and non-LOS (NLOS) components modeled using a 3D von Mises-Fisher distribution. We propose a low-complexity HDA MU-MIMO framework with: user-beam association via standard beam acquisition; dynamic user grouping (one user per beam); effective baseband MIMO channel estimation using 3GPP-compliant pilots; and downlink transmission with zero-forcing precoding under per-antenna power constraints. Results show high spectral efficiency and multiplexing gain while preserving hardware simplicity and power efficiency. Crucially, the approach is fully compliant with 3GPP 5GNR beam acquisition and sounding reference signaling mechanisms.

研究动机与目标

• 设计一个务实、硬件高效的 AMAF-RIS MU-MIMO 架构，使其能够在多径 mmWave 环境中工作。
• 设计一个分层波束成形码本，利用平顶波束实现高效波束获取。
• 使用 von Mises-Fisher 散射体的真实 3D 多径信道模型进行性能评估。
• 提出与 5GNR Pilot 兼容的低复杂度基带处理链路，包括信道估计和 ZF 预编码。

提出的方法

• 使用分离的振幅轮廓 |U1| 和一维 ULA 波束设计（采用 Parks-McClellan 二进制相位模式）设计务实的平顶波。
• 通过相位扰动和局部优化在控制旁瓣的同时扩大和整形波束。
• 将 1D 波束设计的笛卡尔积构造成二维 RIS 波束成形码本。
• 通过在 K 个用户中按 LOS 加 NLOS 的 3D von Mises-Fisher 散射体分布对多径信道进行建模。
• 使用标准 3GPP SRS Pilot 和互易性对有效 KxK 基带信道进行信道估计，随后进行带有每个端口功率约束的 ZF 预编码。
• 使用类似 5GNR 的码本进行波束获取与用户波束关联，动态 MU-MIMO 用户分组（每个波束一个用户）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在务实的 AMAF-RIS MU-MIMO 系统中设计分层、平顶 RIS 基波束以实现高效波束获取？
• RQ2 在一个以阵列供电的 RIS 架构中，低复杂度的基带预编码策略（带每个天线约束的 ZF）能否抵消多径干扰？
• RQ3 现实的 3D 多径（vMF 散射体）对近端和远端串扰及整体 MU-MIMO 性能有何影响？
• RQ4 所 proposed 的 AMAF-RIS 方法是否与 5GNR 波束获取和探测参考信号流程兼容？
• RQ5 AMAF-RIS 的可分离性对波束形成灵活性和性能有何影响？

主要发现

• 所提出的平顶波设计通过二进制相位轮廓和相位扰动加局部优化实现了低旁瓣、可调波束宽度。
• 当结合基带 ZF 预编码时，AMAF-RIS 多模组架构在多径环境中能够实现高光谱效率和空间多路复用。
• 基于 von Mises-Fisher 散射体的真实三维多径模型为在 LOS 与 NLOS 成分下评估 MU-MIMO 性能提供了结构化、几何一致的评估。
• RIS 码本设计与基带处理与 5GNR 波束获取和 SRS Pilot 基于 CSI 的估计完全兼容。
• NEXT 与 FEXT 效应在提议框架内被表征和控制，显示出多径场景中数字基带处理的必要性。
• 该方法避免对模拟和数字系数进行昂贵的交替优化，而是依赖低维的有效通道估计和传统的数字预编码。
• 该框架表明将 AMAF-RIS 波束选择与基带 ZF 结合，即使在多径干扰下也能恢复高的每用户光谱效率。