[论文解读] Non-Coherent Modulation for RIS-Empowered Multi-Antenna OFDM Communications

Kun Hu, George C. Alexandropoulos+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 41被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于非相干差分相移键控（DPSK）的RIS增强多天线OFDM系统，以消除对信道状态信息（CSI）的需求，从而在高速移动或快速衰落环境中降低训练开销和复杂度。该系统通过在现实和理想化信道模型下推导出闭式SINR和符号误码概率（SEP）表达式，实现了鲁棒性能，在时变和相关信道场景下优于相干方案。

ABSTRACT

The Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) constitutes one of the prominent technologies for the next 6-th Generation (6G) of wireless communications. It is envisioned to enhance signal coverage in cases where obstacles block the direct communication from Base Stations (BSs), and when high carrier frequencies are used that are sensitive to attenuation losses. In the literature, the exploitation of RISs is exclusively based on traditional coherent demodulation, which necessitates the availability of Channel State Information (CSI). Given the CSI, a multi-antenna BS or a dedicated controller computes the pre/post spatial coders and the RIS configuration. The latter tasks require significant amount of time and resources, which may not be affordable when the channel is time-varying or the CSI is not accurate enough. In this paper, we consider the uplink between a single-antenna user and a multi-antenna BS and present a novel RIS-empowered Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) communication system based on the differential phase shift keying, which is suitable for high noise and/or mobility scenarios. Considering both an idealistic and a realistic channel model, analytical expressions for the Signal-to-Interference and Noise Ratio (SINR) and the Symbol Error Probability (SEP) of the proposed non-coherent RIS-empowered system are presented. Our extensive computer simulation results verify the accuracy of the presented analysis and showcase the proposed system's performance and superiority over coherent demodulation in different mobility and spatial correlation scenarios.

研究动机与目标

• 为解决RIS增强型相干系统中在时变或高速移动场景下CSI估计带来的高训练开销和复杂度问题。
• 设计一种无需在接收端获取瞬时CSI的非相干RIS-OFDM通信系统。
• 在理想与现实信道模型下，推导SINR和SEP的解析表达式，以评估系统性能。
• 证明非相干解调在应对移动性和空间相关性方面优于相干方案，具有更强的鲁棒性。

提出的方法

• 采用差分相移键控（DPSK）实现非相干解调，从而消除接收端对信道状态信息（CSI）的需求。
• 建立单天线用户与多天线基站之间的RIS增强上行链路OFDM系统模型，对基站-RIS和RIS-用户设备链路均采用瑞利衰落信道。
• 利用叠加原理和瑞利分布信道系数的统计特性，推导出平均干扰功率和交叉项的闭式表达式。
• 引入一种联合空间相关性模型，通过向量 $ \tilde{\mathbf{a}}_n(c_\beta,r_\beta,c_\alpha r_\alpha) $ 同时结合基站天线与RIS阵元的相关性，以捕捉联合空间响应。
• 利用信道增益 $ |\alpha_n^{cr}|^2 $ 和 $ |\beta_n^{cr}|^2 $ 的二阶统计矩，假设其服从已知均值和方差的指数分布。
• 通过信道增益乘积与阵列响应向量的代数运算及期望运算，推导出SINR和SEP的表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 非相干RIS-OFDM系统是否能在不依赖CSI估计或反馈的情况下实现可靠通信？
• RQ2 在高速移动或快速衰落环境中，所提出的非相干系统性能与相干系统相比如何？
• RQ3 在现实和理想化信道模型下，RIS增强型OFDM系统的SINR和SEP的解析表达式是什么？
• RQ4 基站与RIS处的空间相关性以及多普勒扩展如何影响非相干RIS-OFDM系统的误码性能？
• RQ5 在时变和相关信道条件下，所提出的系统是否仍能保持对相干方案的鲁棒性和性能增益？

主要发现

• 所提出的非相干RIS-OFDM系统无需CSI即可实现可靠通信，显著降低了训练开销和系统复杂度。
• SINR和SEP的闭式表达式已推导得出，并通过仿真验证，结果在各种移动性和相关性场景下均表现出高精度。
• 在高速移动环境中，该系统优于相干解调，因其对信道估计误差和导频开销的敏感性更低。
• 在强空间相关性和高多普勒扩展条件下，性能增益尤为显著，此时相干方案因CSI快速老化而性能下降。
• 推导出的SINR和SEP表达式能准确捕捉RIS配置、空间相关性和多普勒扩展对系统性能的影响。
• 仿真结果证实，非相干方案在时变信道中保持稳定的误码地板，并在频谱效率方面优于依赖CSI的相干方案。