[论文解读] Near-Field Hierarchical Beam Management for RIS-Enabled Millimeter Wave Multi-Antenna Systems

George C. Alexandropoulos, Vahid Jamali+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

Advanced Antenna and Metasurface Technologies被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种针对在近场区域工作的可重构智能表面（RIS）增强型毫米波多天线系统、低开销的分层波束管理框架。通过引入一种可变宽度的分层相位移码书以及一种快速对准算法，该方法仅通过24次导频传输即实现了接近最优的性能，与完整信道状态信息（CSI）获取相比，开销降低了99%，同时信噪比（SNR）仅比最优基准低1 dB。

ABSTRACT

In this paper, we present a low overhead beam management approach for near-field millimeter-wave multi-antenna communication systems enabled by Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs). We devise a novel variable-width hierarchical phaseshift codebook suitable for both the near- and far-field of the RIS, and present a fast alignment algorithm for the RIS phase shifts and the transceiver beamformers. Indicative performance evaluation results are shown, verifying the effectiveness of the proposed approach in comparison with various benchmark schemes.

研究动机与目标

• 解决大规模RIS增强型毫米波系统中高信道状态信息（CSI）获取开销的问题，特别是在传统远场假设失效的近场区域。
• 设计一种低开销波束管理方案，以减少导频信令与计算复杂度，同时不牺牲频谱效率。
• 通过利用毫米波信道的空间与角度稀疏性以及RIS的波束聚焦能力，实现在近场场景下的高效波束对准。
• 设计一种可适应近场与远场传播条件的分层码书结构，确保在包含最多8,000个单元的大规模RIS中具备可扩展性。
• 证明所提方法在显著降低训练开销的同时，性能可接近完整CSI基准。

提出的方法

• 提出一种专为近场与远场RIS操作设计的可变宽度分层相位移码书，支持在多个分辨率层级上实现可扩展的波束搜索。
• 设计一种快速对准算法，通过从粗到细的层级对RIS相位移配置进行分层波束搜索，以快速收敛至强波束。
• 以视 Line-of-Sight（LoS）路径为主要设计重点，假设其在毫米波频段占主导地位，并利用其指导相位移优化与码书构建。
• 采用四级分层码书，各级分别使用16、4、2和2次导频，总导频开销降低至24次传输。
• 将波束管理问题建模为RIS相位移与收发波束成形器的联合优化问题，利用毫米波信道的稀疏角度结构。
• 集成先前工作的广角照射方法，以实现在移动近场场景下的低开销信道估计。

Figure 1: Far-field distance versus the RIS physical dimension $L_{\mathsf{y}}=L_{\mathsf{z}}\triangleq L$ (i.e., $D=(L_{\mathsf{y}}^{2}+L_{\mathsf{z}}^{2})^{1/2}=\sqrt{2}L$ ) and the number of its unit elements $Q$ for $28$ GHz carrier frequency and element spacing $d_{\mathsf{y}}=d_{\mathsf{z}}\tr

实验结果

研究问题

• RQ1 在RIS增强型毫米波系统工作于近场区域时，如何最小化波束管理的开销，尤其是在传统远场波束成形模型失效的情况下？
• RQ2 何种分层码书结构可实现在多个分辨率层级上的高效波束搜索，同时在大规模RIS部署中保持高性能？
• RQ3 基于LoS路径聚焦的波束管理算法在SNR与训练开销方面，相较于完整CSI或完整码书搜索，能实现多大程度的性能提升？
• RQ4 专为近场条件设计的可变宽度分层码书，是否能以极低的导频信令实现接近最优的性能？

主要发现

• 所提波束管理算法在实际毫米波场景（β = 10 dB）下实现了平均16 dB的接收SNR，与完整CSI基准（25 dB）相比仅低1 dB。
• 仅通过24次导频传输，该方法相比完整CSI基准（约需16,000次信道系数估计）将训练开销降低了99%。
• 所提方法在不同LoS与非LoS路径功率比下性能保持稳定，优于完整码书搜索（基准1），并展现出对非LoS路径主导情况的鲁棒性。
• 基准3（完整CSI）实现了最高的SNR（25 dB），但需完全掌握2×Q = 17,298个信道系数，凸显了所提低开销方法的实际优势。
• 该算法仅用24次导频即成功定位了大规模RIS（Q ≈ 8,000个单元）的近优RIS相位移配置，展示了其可扩展性与实际可行性。
• 分层搜索策略即使在存在多条散射路径的复杂近场环境中，也能实现快速收敛与有效的波束对准。

Figure 2: Received SNR vs. the displacement along the ${\mathsf{x}}$ - and ${\mathsf{y}}$ -axes when the RIS is configured to focus on the center of the blockage area. The system parameters are the same as those used in Section IV. In particular, BS and RIS are located at $\mathbf{p}_{i}=[40,0,10]$