[论文解读] Optimization of RIS-aided MIMO Systems via the Cutoff Rate

Nemanja Stefan Perović, Marco Di Renzo+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用 39

一句话总结

该论文提出将信道容量截止率（CR）作为可计算的代理度量，以优化具有离散信号的智能反射面（RIS）辅助MIMO系统中的互信息（MI），该问题在传统方法下难以处理。论文提出了两种优化方法——投影梯度法（PGM）和连续凸逼近法（SCA），联合优化预编码与RIS相位偏移，在小星座图下相比传统的高斯信号优化方法，显著提升了CR和MI性能。

ABSTRACT

International audience

研究动机与目标

• 解决在具有离散信号的RIS辅助MIMO系统中优化互信息（MI）的不可计算性问题。
• 提出信道容量截止率（CR）作为MI优化的可计算且可靠的代理度量。
• 在完美信道状态信息（CSI）条件下，开发高效的局部优化方法，用于联合预编码与RIS相位偏移设计。
• 证明基于CR的优化在实际离散调制系统中优于传统的基于高斯信号的可实现速率优化。

提出的方法

• 将信道容量截止率（CR）用作互信息的实用下界，实现可计算的优化。
• 提出一种投影梯度法（PGM），采用闭式更新，用于联合优化预编码与RIS相位偏移。
• 通过凸化RIS元件上的非凸单位模约束，提出一种连续凸逼近（SCA）方法，且不失最优性。
• 利用矩阵微积分与向量化技术，推导出CR关于相位偏移和预编码矩阵的复值梯度。
• 在PGM中采用线性搜索，在SCA中使用CVX与MOSEK求解凸子问题。
• 假设信道状态信息（CSI）完美，并采用单位能量的M-ary离散调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 容量截止率能否作为具有离散信号的RIS辅助MIMO系统中互信息优化的可靠且可计算的代理度量？
• RQ2 PGM与SCA方法在联合优化预编码与RIS相位偏移设计方面表现如何比较？
• RQ3 在实际离散调制系统中，基于CR的优化是否能获得比传统基于高斯信号的优化更高的互信息？
• RQ4 在存在直射链路及链路阻塞的情况下，所提方法在CR与MI方面可实现多大的性能增益？
• RQ5 所提方法是否能避免因问题非凸性导致的不良局部最优解？

主要发现

• 所提出的PGM与SCA方法性能几乎完全相同，仅需数轮迭代即可收敛。
• 当存在直射链路时，基于CR的优化使互信息提升约2 bpcu；当链路被阻塞时，提升达3 bpcu。
• 对于M = 4的情况，基于CR的优化使MI显著高于基于高斯信号的优化，差距超过1 bpcu。
• 尽管高斯信号的可实现速率仍高于MI，但当M = 16时，两者差距缩小至0.2 bpcu以内。
• 理论分析表明，将相位偏移扩展至单位模以外可提升目标函数，从而验证了在优化中使用单位模约束的合理性。
• 理论分析确认，将相位偏移扩展至单位模以外可提升目标函数，从而验证了在优化中使用单位模约束的合理性。