[论文解读] Programmable Metasurface Based Multicast Systems: Design and Analysis

Xiao Hu, Caijun Zhong+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于可编程超表面（PMS）的多播系统，采用有限分辨率相移，引入了一种高效的波束训练方法，并推导出多播速率的闭式表达式。关键结果表明，在导频功率较高或反射单元数量较多时，等功率分配为最优策略，且系统性能受限于最弱用户；通过增加射频链路数或反射单元数可提升性能。

ABSTRACT

This paper considers a multi-antenna multicast system with programmable metasurface (PMS) based transmitter. Taking into account of the finite-resolution phase shifts of PMSs, a novel beam training approach is proposed, which achieves comparable performance as the exhaustive beam searching method but with much lower time overhead. Then, a closed-form expression for the achievable multicast rate is presented, which is valid for arbitrary system configurations. In addition, for certain asymptotic scenario, simple approximated expressions for the multicase rate are derived. Closed-form solutions are obtained for the optimal power allocation scheme, and it is shown that equal power allocation is optimal when the pilot power or the number of reflecting elements is sufficiently large. However, it is desirable to allocate more power to weaker users when there are a large number of RF chains. The analytical findings indicate that, with large pilot power, the multicast rate is determined by the weakest user. Also, increasing the number of radio frequency (RF) chains or reflecting elements can significantly improve the multicast rate, and as the phase shift number becomes larger, the multicast rate improves first and gradually converges to a limit. Moreover, increasing the number of users would significantly degrade the multicast rate, but this rate loss can be compensated by implementing a large number of reflecting elements.

研究动机与目标

• 设计一种具有有限分辨率相移的实用PMS多播系统，以实现高效能的无线通信。
• 通过提出一种高效的波束训练方法，解决PMS多播系统中波束训练时间开销过高的挑战。
• 推导出在任意系统配置下可实现多播速率的闭式表达式。
• 分析最优功率分配策略，并确定等功率分配为最优的条件。
• 研究系统参数（如射频链路数、反射单元数和用户数量）对多播速率性能的影响。

提出的方法

• 提出一种新型波束训练方法，性能可媲美穷举搜索，但时间开销显著降低。
• 基于统计信道状态信息（CSI）和相移模型，推导出多播速率的闭式表达式。
• 引入功率控制优化框架，以最大化最小用户速率，确保多播传输中的公平性。
• 利用渐近分析方法，在反射单元数量较大的情况下，推导出多播速率的简化表达式。
• 应用SINR最大化和拉格朗日松弛等数学技术求解功率分配问题。
• 基于大系统分析方法进行近似，以简化高信噪比和高分辨率场景下的多播速率表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在具有有限分辨率相移的PMS多播系统中实现高效的波束训练？
• RQ2 在具有任意配置的PMS辅助系统中，可实现多播速率的闭式表达式是什么？
• RQ3 在何种条件下，等功率分配对多播速率最大化为最优？
• RQ4 多播速率如何随射频链路数、反射单元数和用户数变化？
• RQ5 导频功率和相移分辨率对系统性能及用户公平性有何影响？

主要发现

• 所提出的波束训练方法性能可媲美穷举搜索，但时间开销显著降低。
• 当导频功率较大时，多播速率主要受限于最弱用户，表明用户公平性受最差链路限制。
• 增加射频链路数或反射单元数可显著提升多播速率，且随着相移分辨率提高，增益趋于饱和。
• 当导频功率或反射单元数量足够大时，等功率分配为最优，从而简化系统设计。
• 大量反射单元可补偿用户数量增加带来的速率退化。
• 随着相移分辨率提高，多播速率趋于有限极限，表明在某一点后增益递减。