[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface Aided Communications: Asymptotic Analysis under Imperfect CSI

Bayan Al-Nahhas, Qurrat-Ul-Ain Nadeem+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用 5

一句话总结

本文分析了在信道状态信息（CSI）不完美条件下，多用户智能反射面（RIS）辅助MISO下行链路系统的渐近和速率性能，提出了两种信道估计协议——ON/OFF与直接估计（DE），并推导了SINR与和速率的确定性等价式。在瑞利衰落信道下，RIS仅提供阵列增益；在莱斯衰落信道下，RIS同时提供阵列增益与波束成形增益，且DE协议在大规模系统中优于ON/OFF协议。

ABSTRACT

This work studies the asymptotic sum-rate performance of a multi-user reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted-multiple-input single-output (MISO) downlink system under imperfect CSI and Rayleigh and Rician fading. We first extend the existing least squares (LS) ON/OFF channel estimation protocol to a multi-user system, where we derive minimum mean squared error (MMSE) estimates of all RIS-assisted channels over multiple sub-phases. We also consider a low-complexity direct estimation (DE) scheme, where the BS obtains the MMSE estimate of the overall channel in a single sub-phase. Under both protocols, the BS implements maximum ratio transmission (MRT) precoding while the RIS phases are studied in the large system limit, where we derive deterministic equivalents of the signal- to-interference-plus-noise ratio (SINR) and the sum-rate. The derived asymptotic expressions reveal that under Rayleigh fading, the RIS phase-shift values do not play a significant role in improving the sum-rate but the RIS still provides an array gain. However, under Rician fading, we show that RIS provides both array and reflect beamforming gains. A projected gradient ascent-based algorithm is used to optimize the phase-shifts under both ON/OFF and DE protocol. Simulation results show that the DE of the overall channel yields better downlink performance when considering large systems.

研究动机与目标

• 将LS ON/OFF信道估计协议扩展至具有不完美CSI的多用户RIS辅助MISO系统。
• 提出一种低复杂度的直接估计（DE）方案，可在单个子帧内估计整体RIS辅助信道。
• 在大规模系统极限下，利用确定性等价式分析渐近和速率性能。
• 研究在瑞利衰落与莱斯衰落条件下，RIS相位偏移对和速率的影响。
• 在两种估计协议下，通过投影梯度上升法优化RIS相位偏移。

提出的方法

• 将基于LS的ON/OFF信道估计方法扩展至多用户RIS系统，通过多个子帧推导最小均方误差（MMSE）估计。
• 提出一种低复杂度的直接估计（DE）方案，基站可在单个子帧内估计整体信道。
• 在两种估计协议下，基站均采用最大比率传输（MRT）预编码。
• 在大规模系统极限下，推导信号与干扰加噪声比（SINR）和和速率的确定性等价式。
• 在两种ON/OFF与DE协议下，使用投影梯度上升法优化RIS相位偏移。
• 在瑞利与莱斯衰落模型下，分析RIS辅助信道的渐近性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有不完美CSI的多用户RIS辅助MISO下行链路系统中，和速率性能如何在渐近条件下演化？
• RQ2 在瑞利衰落与莱斯衰落条件下，RIS相位偏移对和速率的影响有何差异？
• RQ3 在大规模系统中，ON/OFF与直接估计（DE）协议在和速率性能方面如何比较？
• RQ4 能否为具有不完美CSI的RIS辅助系统推导出SINR与和速率的确定性等价式？
• RQ5 在不同衰落模型下，RIS辅助系统中阵列增益与波束成形增益各自发挥何种作用？

主要发现

• 在瑞利衰落条件下，RIS相位偏移对和速率的提升作用不显著，但RIS仍提供阵列增益。
• 在莱斯衰落条件下，RIS同时提供阵列增益与反射波束成形增益，显著提升和速率性能。
• 在大规模系统中，直接估计（DE）方案的下行链路和速率性能优于ON/OFF协议。
• 已为瑞利与莱斯衰落场景分别推导出SINR与和速率的确定性等价式。
• 投影梯度上升法在两种估计协议下均能有效优化RIS相位偏移。
• 渐近分析表明，在莱斯衰落条件下，通过最优相位控制，RIS可显著提升频谱效率。