[论文解读] Passive Beamforming and Information Transfer Design for Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided Multiuser MIMO Systems

Wenjing Yan, Xiaojun Yuan+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 26被引用 14

一句话总结

本文提出了一种可重构智能表面（RIS）辅助多用户MIMO系统中的被动波束成形与信息传输（PBIT）方案，其中RIS通过相移波束成形增强通信，同时通过其反射单元的通断状态传输数据。提出了一种基于样本平均近似（SAA）的迭代算法和一种涡轮式消息传递（TMP）接收机设计，联合优化波束成形并检测调制信号，实现了低复杂度下的近优性能。

ABSTRACT

This paper investigates the passive beamforming and information transfer (PBIT) technique for the multiuser multiple-input multiple-output (MIMO) systems with the aid of a reconfigurable intelligent surface (RIS), where the RIS enhances the primary communication via passive beamforming and at the same time delivers additional information by the spatial modulation (which adjusts the on-off states of the reflecting elements). For the passive beamforming design, we propose to maximize the sum channel capacity of the RIS-aided multiuser MIMO channel and formulate the problem as a two-step stochastic program. A sample average approximation (SAA) based iterative algorithm is developed for the efficient passive beamforming design of the considered scheme. To strike a balance between complexity and performance, we then propose a simplified beamforming algorithm by approximating the stochastic program as a deterministic alternating optimization problem. For the receiver design, the signal detection at the receiver is a bilinear estimation problem since the RIS information is multiplicatively modulated onto the reflected signals of the reflecting elements. To solve this bilinear estimation problem, we develop a turbo message passing (TMP) algorithm in which the factor graph associated with the problem is divided into two modules: one for the estimation of the user signals and the other for the estimation of the RIS's on-off states. The two modules are executed iteratively to yield a near-optimal low-complexity solution. Furthermore, we extend the design of the multiuser MIMO PBIT scheme from single-RIS to multi-RIS, by leveraging the similarity between the single-RIS and multi-RIS system models. Extensive simulation results are provided to demonstrate the advantages of our passive beamforming and receiver designs.

研究动机与目标

• 解决在RIS辅助多用户MIMO系统中实现被动波束成形与信息传输并行的挑战。
• 设计一种被动波束成形策略，以最大化RIS辅助MIMO信道的和容量。
• 在双线性调制下，设计一种能联合检测用户信号与RIS通断状态的低复杂度接收机。
• 通过利用单RIS与多RIS系统模型之间的结构相似性，将单RIS PBIT设计扩展至多RIS场景。
• 通过随机波束成形优化的确定性近似，实现性能与复杂度的平衡。

提出的方法

• 将被动波束成形设计建模为两步随机规划问题，以最大化和容量，通过基于样本平均近似（SAA）的迭代算法求解。
• 通过将随机规划近似为确定性交替优化问题，提出一种简化的波束成形算法，以降低复杂度。
• 将RIS辅助MIMO系统建模为双线性估计问题，其中RIS信息通过乘法方式调制到反射信号上。
• 设计一种涡轮式消息传递（TMP）算法，包含两个迭代模块：一个用于用户信号估计，另一个用于RIS通断状态检测。
• 利用因子图分解，实现信号估计与状态估计模块之间的迭代消息交换，以实现近优检测。
• 利用单RIS与多RIS系统之间的结构相似性，将PBIT设计扩展至多个RIS。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在RIS辅助多用户MIMO系统中联合优化被动波束成形与信息传输，以最大化频谱效率？
• RQ2 在存在信道状态不确定性的情况下，如何设计一种有效且低复杂度的波束成形方案，以在性能与计算成本之间取得良好平衡？
• RQ3 如何高效求解由RIS乘法调制引起的双线性估计问题？
• RQ4 单RIS PBIT设计在多RIS场景下的推广程度如何，性能损失是否可接受？
• RQ5 与传统方案相比，所提出的基于SAA的波束成形与基于TMP的接收机在性能上有多大提升？

主要发现

• 基于SAA的迭代算法通过有效求解两步随机波束成形优化问题，实现了高和容量。
• 基于交替优化的简化波束成形算法在性能与复杂度之间提供了强劲的权衡，接近SAA解。
• 涡轮式消息传递（TMP）算法实现了用户信号与RIS通断状态的近优联合检测，且复杂度显著降低。
• 所提出的PBIT方案通过在RIS单元上实现空间调制的附加数据传输，相较于传统RIS辅助系统，实现了显著的频谱效率增益。
• 仿真结果表明，所提设计在和速率与误比特率性能方面均优于基准方案，尤其在低信噪比（SNR）区域表现更优。
• 通过利用单RIS与多RIS模型之间的结构相似性，多RIS系统的扩展保持了性能增益。