[论文解读] MIMO Detection for Reconfigurable Intelligent Surface-Assisted Millimeter Wave Systems

Xi Yang, Chao-Kai Wen+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 46被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种采用低精度ADC和离散相移RIS阵列的可重构智能表面（RIS）辅助毫米波（mmWave）MIMO系统，以增强空间分集增益和频谱效率。通过利用线性空间处理和定制化的MIMO检测器，该系统在仅使用3位ADC和2位RIS相移时仍能实现鲁棒性能，与理想硬件相比仅出现适度的性能下降。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) band, or high frequencies such as THz, has large undeveloped band of spectrum. However, wireless channels over the mmWave band usually have one or two paths only due to the severe attenuation. The channel property restricts its development in the multiple-input multiple-output (MIMO) system, which can improve throughput by increasing the spectral efficiency. Recent development in reconfigurable intelligent surface (RIS) provides new opportunities to mmWave communications. In this study, we propose a mmWave system, which used low-precision analog-to-digital converters (ADCs), with the aid of several RIS arrays. Moreover, each RIS array has many reflectors with discrete phase shift. By employing the linear spatial processing, these arrays form a synthetic channel with increased spatial diversity and power gain, which can support MIMO transmission. We develop a MIMO detector according to the characteristics of the synthetic channel. RIS arrays can provide spatial diversity to support MIMO transmission, however, different number, antenna configuration, and deployment of RIS arrays affect the bit error rate (BER) performance. We present state evolution (SE) equations to evaluate the BER of the proposed MIMO detector in the different cases. The BER performance of indoor system is studied extensively through leveraging by the SE equations. We reveal numerous insights about the RIS effects and discuss the appropriate system settings. In addition, our results demonstrate that the low-cost hardware, such as the 3-bit ADCs of the receiver side and the 2-bit uniform discrete phase shift of the RIS arrays, only moderately degenerate the system performance.

研究动机与目标

• 解决由于稀疏散射环境导致的mmWave MIMO系统中空间分集有限和路径损耗高的问题。
• 探索将低精度硬件（3位ADC，2位RIS相移）集成到RIS辅助mmWave系统中的可行性，以实现成本和能效优化。
• 设计一种针对RIS阵列形成的合成信道的MIMO检测方案，以优化误比特率（BER）性能。
• 利用状态演化（SE）方程分析RIS阵列数量、配置和部署对系统BER的影响。

提出的方法

• 提出一种通过多个RIS阵列和离散相移反射单元增强的mmWave MIMO系统，以形成具有更高空间分集增益和路径增益的合成信道。
• 在接收端采用线性空间处理技术，将来自多个RIS辅助路径的信号合并，形成虚拟MIMO信道。
• 开发一种专为合成信道结构设计的MIMO检测器，考虑RIS引入的相位偏移和路径增益。
• 推导状态演化（SE）方程，以解析方式评估不同RIS配置和硬件精度水平下的BER性能。
• 采用对数似然比（LLR）分布的高斯近似，以实现可处理的最小均方误差（MMSE）估计和BER预测。
• 通过BER匹配校准高斯近似中的噪声精度，确保基于SE的性能评估准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS阵列的数量和配置如何影响mmWave MIMO系统中的BER性能？
• RQ2 低精度ADC（如3位）和低分辨率RIS相移（如2位）在多大程度上会降低系统性能？
• RQ3 RIS阵列能否有效提供空间分集，以在稀疏散射的mmWave频段支持MIMO传输？
• RQ4 在不同RIS部署和硬件约束条件下，状态演化（SE）方程在预测BER性能方面的准确性如何？
• RQ5 在性能与硬件成本之间实现平衡的最优系统设置（如RIS阵列数量、相位分辨率）是什么？

主要发现

• 所提出的RIS辅助mmWave MIMO系统通过多个RIS阵列形成的合成信道，显著提升了空间分集增益和路径增益。
• 在使用3位ADC和2位RIS相移时，系统性能仅相比全精度系统出现适度下降。
• 状态演化（SE）方程能够准确预测不同RIS配置下的BER性能，支持系统设计优化。
• BER性能对RIS阵列数量和部署几何结构高度敏感，阵列数量越多，分集增益越高。
• LLR分布的高斯近似能够实现准确的MMSE估计和BER预测，经由BER匹配与仿真结果验证。
• 即使在低分辨率硬件条件下，系统仍表现出鲁棒性能，展现出在低成本mmWave部署中的强大潜力。