[论文解读] On the Achievable Sum-rate of the RIS-aided MIMO Broadcast Channel

Nemanja Stefan Perović, Le‐Nam Tran+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 4

一句话总结

该论文提出一种交替优化（AO）算法，通过利用BC-MAC对偶性，联合优化用户协方差矩阵与RIS相位偏移，以最大化可实现的和速率。该方法在存在直射链路及用户/天线数量增加时，实现了显著的和速率增益，原因在于通过对偶分解与相位优化，可获得协方差矩阵与相位偏移的闭式解。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) represent a new technology that can shape the radio wave propagation and thus offers a great variety of possible performance and implementation gains. Motivated by this, we investigate the achievable sum-rate optimization in a broadcast channel (BC) that is equipped with an RIS. We exploit the well-known duality between the Gaussian multiple-input multiple-output (MIMO) BC and multiple-access channel (MAC) to derive an alternating optimization (AO) algorithm which optimizes the users' covariance matrices and the RIS phase shifts in the dual MAC. The optimal users' covariance matrices are obtained by a dual decomposition method in which each iteration is solved in closed-form. The optimal RIS phase shifts are also computed using a derived closed-form expression. Furthermore, we present a computational complexity analysis for the proposed AO algorithm. Simulation results show that the proposed AO algorithm can provide significant achievable sum-rate gains in a BC.

研究动机与目标

• 解决在RIS辅助MIMO广播信道中，通过联合优化用户预编码与RIS相位偏移以最大化可实现和速率的挑战。
• 利用广为人知的高斯MIMO BC-MAC对偶性，将和速率最大化问题转化为更易处理的对偶多址接入信道（MAC）框架。
• 开发一种迭代AO算法，交替优化对偶MAC域中的用户协方差矩阵与RIS相位偏移。
• 推导出最优用户协方差矩阵与最优RIS相位偏移的闭式表达式，以确保计算效率。
• 以复数乘法运算次数为指标，分析所提AO算法的计算复杂度。

提出的方法

• 利用BC-MAC对偶性，将MIMO广播信道的和速率最大化问题重新表述为其对偶多址接入信道（MAC）形式。
• 应用对偶分解，在每次迭代中以闭式解求解最优用户协方差矩阵。
• 基于对偶MAC结构与信道状态信息，推导出最优RIS相位偏移的闭式表达式。
• 实施一种交替优化（AO）框架，迭代更新用户协方差矩阵与RIS相位偏移，直至收敛。
• 通过统计每次迭代所需的复数乘法次数，分析计算复杂度，提供可扩展的性能度量指标。
• 采用包含多天线基站、多个单天线用户以及具备相位可重构能力的大规模RIS的系统模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RIS辅助MIMO广播信道中，如何通过联合优化用户预编码与RIS相位偏移来最大化可实现和速率？
• RQ2 BC-MAC对偶性是否可被有效利用，将和速率最大化问题转化为更易处理的对偶MAC框架？
• RQ3 在对偶MAC域中，最优用户协方差矩阵与最优RIS相位偏移是否存在闭式解？
• RQ4 直射链路的存在如何影响RIS辅助MIMO BC系统中可实现和速率的增益？
• RQ5 所提AO算法的计算复杂度（以复数乘法次数衡量）是多少？

主要发现

• 所提AO算法在存在直射链路的广播信道中实现了显著的和速率增益。
• 随着用户数与发射天线数的增加，和速率提升，但当K ≥ 4时增益趋于饱和，原因在于信道矩阵的秩受限。
• 在6个用户与2根发射天线条件下，引入RIS可使可实现和速率相比仅存在直射链路的情况提升99%。
• 可实现和速率曲线相对于发射天线数呈近似对数增长趋势。
• 算法的计算复杂度通过复数乘法次数被解析量化，从而支持可扩展性评估。
• 由于RIS缺乏幅度调控能力，导致其抑制干扰的能力受限，因此直射链路在提升和速率方面更为有效。