[论文解读] Hybrid Precoding Design for Reconfigurable Intelligent Surface aided mmWave Communication Systems

Chandan Pradhan, Ang Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种针对多用户毫米波系统联合混合波束成形（HP）与可重构智能表面（RIS）相位移（PS）的设计，以最小化均方误差（MSE）。采用梯度投影（GP）方法处理常模约束的交替优化框架，算法收敛至KKT点，并在仅使用6个射频链（RF chains）的情况下，相较于基准方案实现了显著的频谱效率增益。

ABSTRACT

In this letter, we focus on the hybrid precoding (HP) design for the reconfigurable intelligent surface (RIS) aided multi-user (MU) millimeter wave (mmWave) communication systems. Specifically, we aim to minimize the mean-squared-error (MSE) between the received symbols and the transmitted symbols by jointly optimizing the analog-digital HP at the base-station (BS) and the phase shifts (PSs) at the RIS, where the non-convex element-wise constant-modulus constraints for the analog precoding and the PSs are tackled by resorting to the gradient-projection (GP) method. We analytically prove the convergence of the proposed algorithm and demonstrate the desirable performance gain for the proposed design through numerical results.

研究动机与目标

• 解决多用户毫米波系统中因射频链数量有限而面临的用户间干扰与高路径损耗问题。
• 克服毫米波频段全数字波束成形因硬件成本高和功耗大而带来的局限性。
• 以可重构智能表面（RIS）替代传统中继，实现无额外射频链或噪声的无源、低成本、低功耗信号反射。
• 联合优化基站端的混合波束成形与RIS端的相位移，以最小化发送与接收符号之间的MSE。
• 设计一种收敛算法，处理混合波束成形与RIS相位移中均元素常模约束的非凸问题。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，通过联合优化基站端的混合波束成形与RIS端的相位移来最小化MSE。
• 采用交替优化框架，迭代优化模拟波束成形器与RIS相位移，同时固定另一变量。
• 应用梯度投影（GP）方法，对模拟波束成形器与RIS相位移的每个元素施加常模约束。
• 通过使用代价函数的二次上界并结合大化-最小化方法，证明算法收敛至Karush–Kuhn–Tucker（KKT）点。
• 通过迭代更新模拟波束成形器与RIS相位移，结合相位码本选择（PCS）约束下的块对角结构，实现算法实现。
• 使用代理函数近似非凸代价函数，确保迭代过程中目标值单调下降。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统方案相比，联合优化混合波束成形与RIS相位移是否能显著提升多用户毫米波系统的频谱效率？
• RQ2 在有限射频链与常模相位移等实际硬件约束下，所提算法的性能如何？
• RQ3 与传统中继系统相比，结合混合波束成形的RIS在频谱效率与能量效率方面是否表现更优？
• RQ4 RIS单元数（R）与信噪比（SNR）在多大程度上影响联合HP-RIS设计的性能？
• RQ5 在非凸约束下，所提算法是否保证收敛至驻点？

主要发现

• 所提出的联合混合波束成形与RIS相位移设计在基准方案（如hpBS-rndRIS与hpBS-noRIS）基础上实现了显著的频谱效率增益，尤其在RIS单元数增加时更为明显。
• 随着RIS单元数（R）的增加，频谱效率持续提升，表明更大RIS孔径在波束成形增益与干扰抑制方面具有显著价值。
• 在SNR = -10 dB且R = 100时，尽管仅使用6个射频链，所提设计的频谱效率已接近上界（upBound）与全数字RIS优化基准（fdBS-optRIS）。
• 算法收敛至KKT点，该结论通过大化-最小化框架与代价函数的二次上界实现理论证明。
• 与全数字基准相比，性能损失被显著的能效与硬件成本节约所抵消，原因在于仅使用6个射频链。
• 频谱效率随SNR升高而提升，证实了所提设计在不同信道条件下的鲁棒性与可扩展性。