[论文解读] RIS-Aided Cell-Free Massive MIMO Systems for 6G: Fundamentals, System Design, and Applications

Enyu Shi, Jiayi Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2023

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering被引用 3

一句话总结

本文全面综述了6G中RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO系统，将可重构智能表面（RIS）与分布式接入点相结合，以提升频谱效率、能量效率和覆盖范围。提出联合波束成形、信道估计与资源分配技术，在实际信道损伤下显著提升了频谱效率、可靠性和安全性。

ABSTRACT

An introduction of intelligent interconnectivity for people and things has posed higher demands and more challenges for sixth-generation (6G) networks, such as high spectral efficiency and energy efficiency, ultra-low latency, and ultra-high reliability. Cell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (mMIMO) and reconfigurable intelligent surface (RIS), also called intelligent reflecting surface (IRS), are two promising technologies for coping with these unprecedented demands. Given their distinct capabilities, integrating the two technologies to further enhance wireless network performances has received great research and development attention. In this paper, we provide a comprehensive survey of research on RIS-aided CF mMIMO wireless communication systems. We first introduce system models focusing on system architecture and application scenarios, channel models, and communication protocols. Subsequently, we summarize the relevant studies on system operation and resource allocation, providing in-depth analyses and discussions. Following this, we present practical challenges faced by RIS-aided CF mMIMO systems, particularly those introduced by RIS, such as hardware impairments and electromagnetic interference. We summarize corresponding analyses and solutions to further facilitate the implementation of RIS-aided CF mMIMO systems. Furthermore, we explore an interplay between RIS-aided CF mMIMO and other emerging 6G technologies, such as next-generation multiple-access (NGMA), simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT), and millimeter wave (mmWave). Finally, we outline several research directions for future RIS-aided CF mMIMO systems.

研究动机与目标

• 解决传统蜂窝网络和共址大规模MIMO系统存在的局限性，如边缘用户性能下降和高小区间干扰问题。
• 通过将RIS与无蜂窝大规模MIMO架构结合，克服在散射不足或路径损耗高的恶劣环境中的传播挑战。
• 为RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO系统提供统一的系统建模、信号处理与资源分配框架。
• 识别并分析RIS部署带来的实际挑战，包括硬件损伤、电磁干扰和相位偏移精度问题。
• 探索RIS辅助无蜂窝大规模MIMO与下一代多址接入（NGMA）、无线信息与能量同时传输（SWIPT）及毫米波等6G新兴技术之间的协同效应，以提升系统性能。

提出的方法

• 提出一种将RIS辅助无蜂窝大规模MIMO与分布式接入点、中心化处理单元及用户设备相结合的系统模型，支持地理上分散的接入点之间的联合信号处理。
• 引入多层信号处理架构，支持接入点的联合波束成形与RIS的无源波束成形，优化上下行链路传输性能。
• 采用先进的信道估计算法，包括导频设计与RIS相位偏移优化，以缓解导频污染并提高信道状态信息的准确性。
• 利用分数规划与迭代算法等技术，构建功率分配、RIS相位偏移与波束成形的联合优化框架。
• 分析RIS辅助系统中的硬件损伤（HI）与电磁干扰，提出补偿机制与鲁棒设计策略。
• 将RIS辅助无蜂窝大规模MIMO与NGMA、SWIPT及毫米波系统集成，实现信息与能量的同步传输、高谱效率与低时延通信。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS与无蜂窝大规模MIMO的融合如何提升6G网络中的频谱效率、能量效率与覆盖范围？
• RQ2 在部署RIS辅助无蜂窝大规模MIMO系统时，主要挑战是什么，特别是硬件损伤与电磁干扰方面？
• RQ3 如何通过波束成形、功率分配与RIS相位偏移的联合优化来提升系统性能与安全性？
• RQ4 在安全通信场景下，RIS辅助无蜂窝大规模MIMO的性能增益如何，特别是在应对主动与被动窃听者方面？
• RQ5 如何有效将RIS辅助无蜂窝大规模MIMO与NGMA、SWIPT及毫米波等其他6G技术集成，以增强系统能力？

主要发现

• RIS辅助无蜂窝大规模MIMO在频谱效率与用户公平性方面优于传统蜂窝网络与小细胞网络，尤其对边缘用户表现更优。
• 通过联合优化接入点发射功率与RIS相位偏移，可显著降低在主动窃听者存在下的信息泄露，提升保密速率。
• 结合人工噪声与RIS波束成形可增强安全性，通过恶化被动窃听者的信道质量，同时保持合法用户性能。
• 基于分数规划的算法可在能量效率与安全性之间实现稳健权衡，在多种窃听者场景下均实现高性能。
• 硬件损伤与相位偏移误差等实际挑战可通过鲁棒信号处理与设计框架进行分析与缓解。
• 与毫米波及SWIPT的集成可实现高容量、低时延与能量采集能力，满足未来6G应用需求。