[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface-Assisted Massive MIMO: Favorable Propagation, Channel Hardening, and Rank Deficiency

Trinh Van Chien, Hien Quoc Ngo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 5

一句话总结

本文研究了可重构智能表面（RIS）辅助的大规模MIMO系统中的基本信道特性——有利传播、信道硬化和秩亏缺。通过分析经由直射链路和间接链路形成的聚合信道，推导出闭式确定性度量，表明RIS可增强空间复用增益和秩亏缺，但在瑞利衰落信道下，与传统大规模MIMO相比，信道硬化性能可能下降，尤其在有限阵列条件下。

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) and reconfigurable intelligent surface (RIS) are two promising technologies for 5G-and-beyond wireless networks, capable of providing large array gain and multiuser spatial multiplexing. Without requiring additional frequency bands, those technologies offer significant improvements in both spectral and energy efficiency by simultaneously serving many users. The performance analysis of an RIS-assisted Massive MIMO system as a function of the channel statistics relies heavily on fundamental properties including favorable propagation, channel hardening, and rank deficiency. The coexistence of both direct and indirect links results in aggregated channels, whose properties are the main concerns of this lecture note. For practical systems with a finite number of antennas and scattering elements of the RIS, we evaluate the corresponding deterministic metrics with Rayleigh fading channels as a typical example.

研究动机与目标

• 分析RIS对大规模MIMO系统中基本信道特性的影响。
• 量化直射链路与间接链路共存对信道硬化和秩亏缺的影响。
• 为RIS辅助系统中的有利传播、信道硬化和秩亏缺推导确定性度量。
• 在有限但数量庞大的天线和RIS单元数条件下，评估系统在瑞利衰落下的性能。
• 为鲁棒且节能的RIS辅助大规模MIMO系统提供设计洞见。

提出的方法

• 建立一个在基站处具有M根天线、RIS上具有N个相位移元件的RIS辅助大规模MIMO系统模型。
• 将聚合信道向量定义为直射链路与RIS反射链路之和：$\mathbf{z}_k = \mathbf{u}_k + \mathbf{H}\mathbf{\Phi}\mathbf{g}_k$。
• 利用随机矩阵理论，推导信道硬化、有利传播和秩亏缺的确定性等价物。
• 计算诸如 $\mathsf{CH}_k = \mathbb{E}[|\mathbf{z}_k^H \mathbf{z}_k|^2] / \mathbb{E}[|\mathbf{z}_k^H \mathbf{z}_k|]^2$ 等度量的闭式表达式，以量化信道硬化程度。
• 采用瑞利衰落信道对基站-RIS（$\mathbf{H}$）、RIS-用户（$\mathbf{g}_k$）和直射链路（$\mathbf{u}_k$）进行建模，以评估统计特性。
• 分析当 $M, N \to \infty$ 且比值固定时的渐近行为，推导出收敛速率与 $(M+N)/(MN)$ 成正比。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS的存在如何影响大规模MIMO系统中的信道硬化特性？
• RQ2 RIS在聚合信道中在多大程度上改善了有利传播和秩亏缺？
• RQ3 能否为有限阵列的RIS辅助大规模MIMO系统中的关键信道特性推导出闭式确定性度量？
• RQ4 相位移系数和阵列尺寸如何影响信道统计特性？
• RQ5 间接链路对整体信道协方差结构和系统性能有何影响？

主要发现

• 信道硬化度量 $\mathsf{CH}_k$ 随 $M,N \to \infty$ 而收敛至零，但收敛速率与 $(M+N)/(MN)$ 成正比，表明RIS存在时信道硬化速度更慢。
• RIS辅助系统保持了有利传播和信道稀疏性，但在瑞利衰落信道下性能劣于传统大规模MIMO。
• 在RIS辅助下，协方差矩阵 $\mathbb{E}[\mathbf{h}_k\mathbf{h}_k^H]$ 的秩显著提高，尤其在基站天线数达100时，有效缓解了秩亏缺问题。
• 信道硬化闭式表达式与相位移系数无关，表明在未相关瑞利衰落条件下，无法通过统计特性实现智能环境控制。
• 数值结果证实，间接链路会降低信道硬化性能，但通过增加秩和分集增益，提升了空间复用增益。
• 所推导的确定性度量适用于任意有限的 $M$ 和 $N$，可支持实际系统设计与优化。