[论文解读] Hybrid Relay-Reflecting Intelligent Surface-Assisted Wireless Communication

Nhan T. Nguyen, Quang‐Doanh Vu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 12

一句话总结

本文提出一种混合中继-反射智能表面（HR-RIS），通过结合被动反射与少量有源中继单元，在MIMO系统中提升频谱效率与能量效率。利用交替优化与功率分配，动态HR-RIS架构在低至中等发射功率及基站-HR-RIS距离较大的条件下，相较传统RIS实现显著的频谱效率（SE）与能量效率（EE）增益。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has emerged as a cost- and energy-efficient solution to enhance the wireless communication capacity. However, recent studies show that a very large surface is required for a RIS-assisted communication system; otherwise, they may be outperformed by the conventional relay. Furthermore, the performance gain of a RIS can be considerably degraded by hardware impairments such as limited-resolution phase shifters. To overcome those challenges, we propose a novel concept of hybrid relay-reflecting intelligent surface (HR-RIS), in which a single or few elements are deployed with power amplifiers (PAs) to serve as active relays, while the remaining elements only reflect the incident signals. Two architectures are proposed, including the fixed and dynamic HR-RIS. Their coefficient matrices are obtained based on alternating optimization (AO) and power allocation strategies, which enable understanding the fundamental performances of RIS and relaying-based systems with a trade-off between the two. The simulation results show that a significant improvement in both the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) with respect to the conventional RIS-aided system can be attained by the proposed schemes, especially, by the dynamic HR-RIS. In particular, the favorable design and deployment of the HR-RIS are analytically derived and numerically justified.

研究动机与目标

• 解决传统被动RIS的局限性，如对大尺寸表面的依赖以及在低分辨率相位移器等硬件损伤下的性能退化。
• 通过引入半有源混合架构，克服纯被动RIS效率低下与全有源中继高功耗的问题。
• 采用交替优化与功率分配方法，设计并优化两种HR-RIS架构——固定型与动态型，以平衡性能与能量效率。
• 研究RIS增益与中继增益之间的权衡，识别HR-RIS在毫米波与Sub-6 GHz频段中的最优部署条件。
• 证明在实际硬件约束下，HR-RIS中少量有源单元即可实现显著优于传统RIS与有源中继的频谱效率与能量效率提升。

提出的方法

• 提出一种混合中继-反射智能表面（HR-RIS），其中部分单元为有源（配备功率放大器），其余为被动反射单元。
• 设计两种架构：固定HR-RIS（有源单元预先定义）与动态HR-RIS（根据信道条件动态选择有源单元）。
• 采用交替优化（AO）联合优化被动单元的相位偏移与有源单元的波束成形向量。
• 在动态HR-RIS中应用注水功率分配，将发射功率分配至有源单元，以最大化频谱效率。
• 将HR-RIS建模为结合被动反射与有源放大的系数矩阵，支持联合信号处理与波束成形优化。
• 在系统建模与性能评估中考虑硬件损伤，如有限分辨率相位移器与功率放大器约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合有源中继与被动反射的混合架构是否能在频谱效率与能量效率方面优于传统被动RIS？
• RQ2 有源单元数量（K）如何影响HR-RIS在频谱效率与能量效率方面的性能？
• RQ3 在何种条件下（如低发射功率或大距离）HR-RIS相较于被动RIS能提供最大性能增益？
• RQ4 通过注水功率分配实现有源单元的动态选择，相较于固定有源单元配置，如何提升系统性能？
• RQ5 当HR-RIS中增加有源单元数量时，功耗增加与性能增益之间的权衡关系如何？

主要发现

• 在发射功率较低或中等时，动态HR-RIS相较传统RIS实现显著更高的频谱效率。
• 当 $ P_{\text{a}}^{\text{max}} = -10 $ dBm 时，动态HR-RIS会关闭多余有源单元以维持频谱效率并降低功耗，导致总功耗在初始上升后下降。
• 固定HR-RIS的功耗随有源单元数量（K）线性增加，而动态HR-RIS在K较小时保持相当或更优的能量效率。
• 即使在 $ P_{\text{a}}^{\text{max}} = -10 $ dBm 条件下，动态HR-RIS的能量效率（EE）在K较小时仍与传统AO-RIS相当或更优。
• 当基站与HR-RIS间距离较大且发射功率受限时，HR-RIS在频谱效率与能量效率方面获得最大增益。
• 分析与数值结果均表明，为HR-RIS配置少量有源单元为最优方案，因增加K并不保证性能增益，反而会增加功耗。