[论文解读] RIS-Aided Angular-Based Hybrid Beamforming Design in mmWave Massive MIMO Systems

İbrahim Yıldırım, Asil Koç+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种可重构智能表面（RIS）辅助的基于波束赋形角度的混合波束成形（RIS-AB-HBF）方案，用于毫米波大规模MIMO系统，以降低信道状态信息（CSI）开销并提升频谱效率。通过利用慢时变的波束赋形角度参数进行射频（RF）波束成形，降低基带处理的有效信道维度，并采用粒子群优化（PSO）算法优化RIS相位移，该方案在严重遮挡条件下相比传统AB-HBF，可实现高达25 dB的可实现速率增益，显著提升了系统可靠性与灵活性。

ABSTRACT

This paper proposes a reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided and angular-based hybrid beamforming (AB-HBF) technique for the millimeter wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems. The proposed RIS-AB-HBF architecture consists of three stages: (i) RF beamformer, (ii) baseband (BB) precoder/combiner, and (iii) RIS phase shift design. First, in order to reduce the number of RF chains and the channel estimation overhead, RF beamformers are designed based on the 3D geometry-based mmWave channel model using slow time-varying angular parameters of the channel. Second, a BB precoder/combiner is designed by exploiting the reduced-size effective channel seen from the BB stages. Then, the phase shifts of the RIS are adjusted to maximize the achievable rate of the system via the nature-inspired particle swarm optimization (PSO) algorithm. Illustrative simulation results demonstrate that the use of RISs in the AB-HBF systems has the potential to provide more promising advantages in terms of reliability and flexibility in system design.

研究动机与目标

• 解决毫米波大规模MIMO系统中硬件成本高和CSI开销大的问题。
• 通过利用慢时变的波束赋形角度参数（AoA/AoD）进行射频波束成形，降低信道估计开销。
• 通过RIS反射提升视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（non-LOS）环境下的系统可靠性与频谱效率。
• 联合优化射频波束成形器、基带预编码器/合并器以及RIS相位移，以最大化可实现速率。
• 在复杂传播条件下，证明PSO优化的RIS相位移相比随机或固定相位调整具有显著优势。

提出的方法

• 基于具有慢时变角度参数（AoD/AoA）的三维几何毫米波信道模型设计射频波束成形器。
• 根据基带阶段观测到的降维有效信道构造基带预编码器和合并器。
• 将RIS建模为具有M_I = M_Ix × M_Iy个单元的无源反射阵列，每个单元具有可调相位移。
• 采用粒子群优化（PSO）将RIS相位移优化建模为速率最大化问题。
• 将三个阶段——射频波束成形器、基带预编码器/合并器以及RIS相位移设计——整合为统一的RIS-AB-HBF架构。
• 采用三阶段系统模型，包含直射链路和RIS反射链路，假设发射端、接收端和RIS均采用均匀平面阵列（UPA）。

Figure 1: RIS-assisted hybrid mmWave massive MIMO system model.

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统混合波束成形相比，RIS辅助的AB-HBF在毫米波大规模MIMO系统中如何降低CSI开销？
• RQ2 在易受遮挡的环境中，PSO优化的RIS相位移相比随机或固定相位调整，可实现多大的可实现速率增益？
• RQ3 RIS的位置（如距离发射端的距离）如何影响系统性能，以可实现速率衡量？
• RQ4 增加RIS单元数（M_I）在AB-HBF系统中能在多大程度上提升频谱效率？
• RQ5 在直射链路被阻塞时，RIS支持的基于角度的波束成形是否仍能保持高性能？

主要发现

• 当d_TR = 100 m且d_1 = 20 m时，基于PSO的RIS-AB-HBF可实现10.47 bps/Hz的速率，当d_1 = 100 m时下降至3.24 bps/Hz，表明系统对RIS位置高度敏感。
• 在d_TR = 100 m时，当直射链路被阻塞，基于PSO的RIS-AB-HBF相比传统AB-HBF实现25 dB的速率增益。
• 当d_TR从25 m增加到50 m时，传统AB-HBF性能下降76.53%，而基于PSO的RIS-AB-HBF仅下降22.85%。
• 当M_I = 100时，基于PSO的RIS-AB-HBF相比随机相位调整实现4.5 dB增益，而M_I = 10时仅实现3 dB增益。
• 即使采用固定相位RIS反射，也能通过创建额外的视 Line-of-Sight（LOS）路径带来显著性能增益，但增益在M_I较大时趋于饱和。
• 由于动态相位优化，PSO优化的RIS-AB-HBF系统在高路径损耗和遮挡条件下优于所有基准方案。

Figure 2: Top view of simulation setup for the proposed RIS-aided hybrid MIMO system.