[论文解读] Joint Hybrid and Passive RIS-Assisted Beamforming for MmWave MIMO Systems Relying on Dynamically Configured Subarrays

Chenghao Feng, Wenqian Shen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种用于毫米波MIMO系统的联合混合与被动RIS波束成形框架，采用具有双分辨率移相器的动态子连接结构。通过采用连续干扰消除（SIC）和基于复圆流形（CCM）的优化方法，该方法联合设计了模拟波束成形器与RIS相位偏移，以在降低硬件复杂度和功耗的同时最大化频谱效率，相较于完全高分辨率或低分辨率的对应方案，实现了频谱效率与能量效率之间的有利权衡。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted millimeter-wave (mmWave) communication systems relying on hybrid beamforming structures are capable of achieving high spectral efficiency at a low hardware complexity and low power consumption. In this paper, we propose an RIS-assisted mmWave point-to-point system relying on dynamically configured sub-array connected hybrid beamforming structures. More explicitly, an energy-efficient analog beamformer relying on twin-resolution phase shifters is proposed. Then, we conceive a successive interference cancelation (SIC) based method for jointly designing the hybrid beamforming matrix of the base station (BS) and the passive beamforming matrix of the RIS. Specifically, the associated bandwidth-efficiency maximization problem is transformed into a series of sub-problems, where the sub-array of phase shifters and RIS elements are jointly optimized for maximizing each sub-array's rate. Furthermore, a greedy method is proposed for determining the phase shifter configuration of each sub-array. We then propose to update the RIS elements relying on a complex circle manifold (CCM)-based method. The proposed dynamic sub-connected structure as well as the proposed joint hybrid and passive beamforming method strikes an attractive trade-off between the bandwidth efficiency and power consumption. Our simulation results demonstrate the superiority of the proposed method compared to its traditional counterparts.

研究动机与目标

• 解决传统全数字毫米波波束成形在高带宽系统中硬件成本高和功耗大的问题。
• 通过引入动态子阵列配置，克服固定子连接混合波束成形结构的局限性。
• 在RIS辅助的毫米波MIMO系统中，降低模拟波束成形器的复杂度和功耗，同时保持高 spectral efficiency。
• 联合优化基站的混合波束成形与RIS的被动波束成形，以提升系统性能。

提出的方法

• 提出一种结合高分辨率与低分辨率移相器的双分辨率动态子连接模拟波束成形器，以在空间增益与硬件成本之间取得平衡。
• 开发一种基于连续干扰消除（SIC）的方法，将频谱效率最大化问题分解为每个子阵列的子问题。
• 采用贪心算法确定每个子阵列内发射天线与移相器之间的最优连接。
• 采用基于复圆流形（CCM）的优化方法，迭代更新RIS元件的相位偏移。
• 将联合波束成形设计转化为一系列子速率最大化问题，通过迭代求解子阵列与RIS的子问题。
• 引入一个功耗模型，综合考虑射频链路、移相器、开关和RIS元件的功耗，以评估能量效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 与固定子连接或全数字架构相比，动态子连接混合波束成形结构如何提升RIS辅助毫米波MIMO系统的频谱效率与能量效率？
• RQ2 在RIS辅助的毫米波系统中，混合波束成形架构下高分辨率与低分辨率移相器之间的最优权衡是什么？
• RQ3 联合优化基站混合波束成形与RIS被动波束成形对系统频谱效率与功耗有何影响？
• RQ4 基于连续干扰消除（SIC）的方法能否以可扩展且低复杂度的方式有效分解并求解联合波束成形设计问题？
• RQ5 RIS元件数量与发射天线数量的变化对可实现的频谱效率与能量效率权衡有何影响？

主要发现

• 所提出的双分辨率动态子连接结构在频谱效率上优于完全低分辨率子连接波束成形器，同时在能量效率上优于全高分辨率对应方案。
• 系统能量效率在发射功率约为30 dBm时达到峰值，此时频谱效率的对数增长开始超过功耗的线性增长。
• 当RIS元件数量从16增加到64时，频谱效率与能量效率均有所提升，但最终趋于饱和，表明超过某一RIS规模后收益递减。
• 所提方法在频谱效率与能量效率之间实现了有利的权衡，优于传统固定结构混合波束成形与RIS配置。
• 贪心移相器配置方法在保持高频频谱效率的同时，有效降低了子阵列优化中的计算复杂度。
• 基于CCM的RIS相位偏移更新方法在被动波束成形优化中实现了高效且稳定的收敛，显著提升了整体系统性能。