[论文解读] GMD-Based Hybrid Beamforming for Large Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Millimeter-Wave Massive MIMO

Keke Ying, Zhen Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于几何平均分解（GMD）的混合波束成形方案，用于大规模可重构智能表面（RIS）辅助的毫米波（mmWave）大规模MIMO系统。通过在过采样的二维DFT码本上应用同时正交匹配追踪（SOMP）算法，并基于视 Line-of-Sight（LoS）波束成形角度优化RIS相位移，该方案在高信噪比（SNR）和信道扰动条件下，显著提升了误码率（BER）和频谱效率（SE）性能，优于传统方法。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) is considered to be an energy-efficient approach to reshape the wireless environment for improved throughput. Its passive feature greatly reduces the energy consumption, which makes RIS a promising technique for enabling the future smart city. Existing beamforming designs for RIS mainly focus on optimizing the spectral efficiency for single carrier systems. To avoid the complicated bit allocation on different spatial domain subchannels in MIMO systems, in this paper, we propose a geometric mean decomposition-based beamforming for RIS-assisted millimeter wave (mmWave) hybrid MIMO systems so that multiple parallel data streams in the spatial domain can be considered to have the same channel gain. Specifically, by exploiting the common angular-domain sparsity of mmWave massive MIMO channels over different subcarriers, a simultaneous orthogonal match pursuit algorithm is utilized to obtain the optimal multiple beams from an oversampling 2D-DFT codebook. Moreover, by only leveraging the angle of arrival and angle of departure associated with the line of sight (LoS) channels, we further design the phase shifters for RIS by maximizing the array gain for LoS channel. Simulation results show that the proposed scheme can achieve better BER performance than conventional approaches. Our work is an initial attempt to discuss the broadband hybrid beamforming for RIS-assisted mmWave hybrid MIMO systems.

研究动机与目标

• 解决宽带混合波束成形在mmWave大规模MIMO系统中的挑战，包括高硬件成本与复杂反馈问题。
• 通过避免在子载波间进行复杂比特分配，克服传统基于SVD的波束成形的局限性。
• 将RIS作为无源反射器，提升信道质量，并在非视 Line-of-Sight（NLoS）环境中支持视 Line-of-Sight（LoS）类似链路。
• 基于过采样的二维DFT码本，利用同时正交匹配追踪（SOMP）算法设计高效的模拟波束成形策略。
• 通过利用LoS链路在基站-RIS与RIS-用户设备（UE）之间到达角（AoA）与出发角（AoD）信息，优化RIS反射矩阵以最大化阵列增益。

提出的方法

• 在基带端应用几何平均分解（GMD），使各空间流的信道增益相等，简化比特分配并改善BER性能。
• 在过采样的二维DFT码本上应用同时正交匹配追踪（SOMP）算法，联合设计基站（BS）与用户设备（UE）的模拟波束成形器，实现高效的宽带波束成形。
• 通过最大化基站-RIS与RIS-UE之间LoS链路的AoA与AoD所对应的阵列增益，设计RIS反射矩阵，确保最优信号增强。
• 利用子载波间mmWave信道在角度域的共同稀疏性，降低计算复杂度并提高波束成形精度。
• 将RIS作为无源反射器，创建虚拟LoS链路，从而在NLoS场景中提升系统容量与可靠性。
• 采用混合模拟-数字波束成形架构，在保持宽带mmWave系统高谱效率的同时降低硬件成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在RIS辅助的宽带mmWave大规模MIMO系统中高效设计混合波束成形，以降低复杂度与反馈开销？
• RQ2 基于GMD的基带波束成形是否能在无需复杂比特分配的情况下，优于传统的基于SVD的方案，从而提升BER性能？
• RQ3 在过采样的二维DFT码本上应用SOMP算法，如何提升在宽带mmWave系统中模拟波束成形的性能？
• RQ4 基于LoS AoA/AoD的RIS反射矩阵设计，能在多大程度上提升阵列增益与系统频谱效率？
• RQ5 在实际部署中，该方案对信道估计误差与CSI扰动的鲁棒性如何？

主要发现

• 所提出的结合SOMP与RIS的GMD基混合波束成形方案在高SNR下显著优于传统方案，其BER性能更优，主要归因于各空间流增益的均衡性。
• 当过采样因子ρ ≥ 3时，该方案的频谱效率（SE）性能接近理想SOMP基准，表明波束选择具有高精度。
• 在RIS协助下，系统频谱效率显著高于纯NLoS场景，证明了构建虚拟LoS链路的有效性。
• RIS优化方案对信道扰动具有强鲁棒性，在20 dB SNR下，归一化信道误差达0 dB时仍能保持高SE。
• RIS反射矩阵的性能对设计高度敏感：全反射（单位矩阵）与随机相位的RIS方案所获得的SE显著低于所提出的优化设计。
• 仿真结果证实，所提方法能有效利用角度域稀疏性，并在无需完整CSI反馈的情况下，实现子载波间的高效波束成形。