[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface-Enhanced OFDM Communications via Delay Adjustable Metasurface

Jiancheng An, Chao Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 50被引用 15

一句话总结

该论文提出了一种可调延迟超表面（DAM），用于可重构智能表面（RIS）增强的正交频 division multiplexing（OFDM）系统，通过动态控制信号传播延迟，实现子载波间多径分量的对齐。通过采用交替优化算法联合优化功率分配、反射系数和RIS引入的延迟，该方案在存在硬件损伤和信道估计误差的情况下，仍可实现比传统RIS-OFDM系统高出70%的频谱效率。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) is a promising technology for establishing spectral- and energy-efficient wireless networks. In this paper, we study RIS-enhanced orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) communications, which generalize the existing RIS-driven context focusing only on frequency-flat channels. Firstly, we introduce the delay adjustable metasurface (DAM) relying on varactor diodes. In contrast to existing reflecting elements, each one in DAM is capable of storing and retrieving the impinging electromagnetic waves upon dynamically controlling its electromagnetically induced transparency (EIT) properties, thus additionally imposing an extra delay onto the reflected incident signals. Secondly, we formulate the rate-maximization problem by jointly optimizing the transmit power allocation and the RIS reflection coefficients as well as the RIS delays. Furthermore, to address the coupling among optimization variables, we propose an efficient algorithm to achieve a high-quality solution for the formulated non-convex design problem by alternately optimizing the transmit power allocation and the RIS reflection pattern, including the reflection coefficients and the delays. Thirdly, to circumvent the high complexity for optimizing the RIS reflection coefficients, we conceive a low-complexity scheme upon aligning the strongest taps of all reflected channels, while ensuring that the maximum delay spread after introducing extra RIS delays does not exceed the length of the cyclic prefix (CP). Finally, simulation results demonstrate that the proposed design significantly improves the OFDM rate performance as well as the RIS's adaptability to wideband signals compared to baseline schemes without employing DAM.

研究动机与目标

• 通过引入可控信号延迟这一新自由度，解决宽带RIS-OFDM系统中的波束 squint 效应和次优多径对齐问题。
• 克服传统RIS仅能控制相移的局限性，通过变容二极管基超表面中的电磁诱导透明（EIT）效应，实现波的存储与提取。
• 建立一个涉及联合优化发射功率、RIS反射系数和引入延迟的非凸速率最大化问题。
• 设计一种高效算法求解耦合优化问题，确保性能增益的同时保持实际可行性。
• 在真实部署场景下评估系统对硬件损伤（如DAM元件中的功率衰减）和信道估计误差的鲁棒性。

提出的方法

• 提出一种基于变容二极管的可调延迟超表面（DAM），通过动态调控电磁响应，利用EIT特性引入可调时间延迟。
• 建立联合优化问题，通过优化发射功率分配、RIS反射系数和RIS引入的延迟，以最大化频谱效率。
• 采用基于连续凸逼近（SCA）的交替优化（AO）算法求解非凸问题，迭代优化功率和RIS参数。
• 提出一种低复杂度方案，使所有子载波的最强径在反射信道中对齐，同时确保总延迟扩展不超过循环前缀（CP）长度。
• 使用指数型功率衰减模型（$p_{\text{decay}} = \eta^{\bar{\tau}}$）建模实际硬件损伤，并通过导频基于的DFT反射波形引入信道估计误差。
• 通过仿真评估，在理想与非理想条件下对比基线方案（无DAM）的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅控制相位的常规RIS相比，具备可调信号延迟的可重构智能表面是否能提升OFDM系统的频谱效率？
• RQ2 通过可调延迟超表面引入可控时间延迟，对宽带OFDM系统中的多径对齐和载波间干扰有何影响？
• RQ3 在实际DAM元件中，最优多径对齐所需的RIS延迟余量与元件引起的功率衰减之间存在何种权衡？
• RQ4 在存在硬件损伤的情况下，所提出的发射功率、反射系数和延迟联合优化如何提升系统性能？
• RQ5 当受到信道估计误差和实际器件限制时，所提方案在多大程度上仍能保持性能增益？

主要发现

• 在理想条件下，所提出的DAM-RIS-OFDM系统比传统RIS-OFDM方案实现70%的频谱效率增益，高Rician因子下速率增益可达0.2 b/s/Hz。
• 即使存在实际功率衰减（$\eta = 0.8$），由于有效多径对齐，所提方案仍比基线方案保持约0.2 b/s/Hz的速率增益。
• 当导频功率为$-10$ dBm且$\eta = 0.9$时，所提方案将可实现速率从0.9提升至1.25 b/s/Hz，实现40%的性能增益，尽管CSI不完美。
• 即使Rician因子低至0 dB，系统仍保持显著速率优势，速率超过非DAM方案的两倍。
• 最优RIS延迟被证明是最大化相长多径对齐与最小化元件引起的信号功率损耗之间的权衡。
• 基于最强径对齐的低复杂度方案实现了接近最优的性能，同时确保延迟扩展不超过循环前缀长度，从而保持OFDM正交性。