[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces with Reflection Pattern Modulation: Beamforming Design and Performance Analysis

Shaoe Lin, Beixiong Zheng+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 39被引用 8

一句话总结

本文提出一种可重构智能表面（RIS），通过反射图案调制（RPM）实现同时被动波束成形与信息传输，方法是通过动态切换RIS单元在开启（ON）与关闭（OFF）状态来实现。该方案通过分组RIS单元实现空间调制，相较于传统RIS系统，提升了频谱效率，尽管存在轻微的功率损失，仿真结果表明其可实现更高的可译码速率。

ABSTRACT

Recent considerations for reconfigurable intelligent surfaces (RISs) assume that RISs can convey information by reflection without the need of transmit radio frequency chains, which, however, is a challenging task. In this paper, we propose an RIS-enhanced multiple-input single-output system with reflection pattern modulation, where the RIS can configure its reflection state for boosting the received signal power via passive beamforming and simultaneously conveying its own information via reflection. We formulate an optimization problem to maximize the average received signal power by jointly optimizing the active beamforming at the access point (AP) and passive beamforming at the RIS for the case where the RIS's state information is statistically known by the AP, and propose a high-quality suboptimal solution based on the alternating optimization technique. We analyze the asymptotic outage probability of the proposed scheme under Rayleigh fading channels, for which a closed-form expression is derived. The achievable rate of the proposed scheme is also investigated for the case where the transmitted symbol is drawn from a finite constellation. Simulation results validate the effectiveness of the proposed scheme and reveal the effect of various system parameters on the achievable rate performance. It is shown that the proposed scheme outperforms the conventional RIS-assisted system without information transfer in terms of achievable rate performance.

研究动机与目标

• 解决传统RIS辅助系统仅使用被动波束成形而无信息传输所导致的频谱效率限制问题。
• 通过调制单元元素的开启/关闭状态来实现RIS自身信息的传输，从而将RIS功能扩展一倍。
• 设计一种波束成形策略，利用接入点（AP）的统计信道状态信息最大化平均接收信号功率。
• 在瑞利衰落信道下分析所提方案的中断概率与可译码速率，提供理论性能边界。
• 评估系统参数（如分组比例、发射功率及开启状态组数）对可译码速率的影响。

提出的方法

• 提出一种新型RIS增强型MISO系统，其中RIS通过其单元元素的空间开启/关闭模式实现反射图案调制（RPM）以编码信息。
• 建立优化问题，通过联合设计AP的主动波束成形与RIS的被动波束成形，利用统计信道状态信息最大化平均接收信号功率。
• 提出一种基于交替优化的算法，求解联合波束成形设计的高质量次优解。
• 推导出在瑞利衰落信道下渐近中断概率的闭式表达式，表明通过RIS的相位偏移优化可实现分集增益。
• 分析有限星座输入下的可译码速率，同时考虑AP与RIS的信息速率，并计入信道估计与数据传输之间的时间分配。
• 引入RIS单元的分组策略，以减少信道估计开销，同时通过组级别开启/关闭模式实现索引调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS能否被设计为同时通过被动波束成形增强信号功率，并通过反射图案调制传输自身信息？
• RQ2 开启状态RIS单元组的数量如何影响可译码速率？在不同发射功率水平下，最优配置为何？
• RQ3 RIS单元分组比例对频谱效率有何影响？其与信道估计开销之间存在何种权衡？
• RQ4 所提RIS-RPM方案在瑞利衰落信道下的渐近中断性能如何？是否可实现分集增益？
• RQ5 在有限星座输入条件下，RIS-RPM方案的可译码速率与无信息传输的传统RIS系统相比如何？

主要发现

• 所提RIS-RPM方案通过反射图案调制实现信息传输，即使接收信号功率略有降低，仍实现了比传统RIS系统更高的频谱效率。
• 存在一个最优的开启状态RIS单元组数，其最优值取决于AP的发射功率：当 $ P_t = 30 $ dBm 时 $ \bar{K} = 5 $，当 $ P_t = 10 $ dBm 时 $ \bar{K} = 6 $。
• 更高的分组比例 $ \rho = 1/\bar{L} $ 可通过增加波束成形的自由度并支持更多索引调制比特来提升可译码速率，但会增加信道估计开销 $ \xi $，从而减少数据传输时间。
• 在高发射功率条件下，可译码速率趋近于AP与RIS未编码速率之和，表明在有利条件下，RIS-RPM方案可有效将信息速率加倍。
• 推导出渐近中断概率的闭式表达式，表明通过合理设计RIS的相位偏移可实现分集增益，从而提升瑞利衰落环境下的可靠性。
• 仿真结果验证了所提基于交替优化的波束成形算法具有高质量性能，且在实际系统约束下，RIS-RPM方案在可译码速率方面优于传统RIS系统。