[论文解读] Simultaneously Transmitting And Reflecting (STAR) RIS Aided Wireless Communications

Xidong Mu, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 45被引用 769

一句话总结

本文提出了一种新型同时发射与反射（STAR）可重构智能表面（RIS），用于实现全空间无线信号调控，引入三种工作协议——能量分割（ES）、模式切换（MS）和时隙切换（TS），以实现基站的联合主动波束成形与STAR-RIS的被动波束成形。主要贡献在于显著降低了基站的功耗，在单播和多播场景中，ES与TS协议分别优于传统RIS。

ABSTRACT

The novel concept of simultaneously transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RISs) is investigated, where the incident wireless signal is divided into transmitted and reflected signals passing into both sides of the space surrounding the surface, thus facilitating a full-space manipulation of signal propagation. Based on the introduced basic signal model of `STAR', three practical operating protocols for STAR-RISs are proposed, namely energy splitting (ES), mode switching (MS), and time switching (TS). Moreover, a STAR-RIS aided downlink communication system is considered for both unicast and multicast transmission, where a multi-antenna base station (BS) sends information to two users, i.e., one on each side of the STAR-RIS. A power consumption minimization problem for the joint optimization of the active beamforming at the BS and the passive transmission and reflection beamforming at the STAR-RIS is formulated for each of the proposed operating protocols, subject to communication rate constraints of the users. For ES, the resulting highly-coupled non-convex optimization problem is solved by an iterative algorithm, which exploits the penalty method and successive convex approximation. Then, the proposed penalty-based iterative algorithm is extended to solve the mixed-integer non-convex optimization problem for MS. For TS, the optimization problem is decomposed into two subproblems, which can be consecutively solved using state-of-the-art algorithms and convex optimization techniques. Finally, our numerical results reveal that: 1) the TS and ES operating protocols are generally preferable for unicast and multicast transmission, respectively; and 2) the required power consumption for both scenarios is significantly reduced by employing the proposed STAR-RIS instead of conventional reflecting/transmiting-only RISs.

研究动机与目标

• 为解决传统仅反射RIS的局限性，即用户被限制在表面的一侧。
• 通过新型STAR-RIS架构实现同时发射与反射，支持全空间信号调控。
• 设计实用的工作协议（ES、MS、TS），在能量效率与频谱效率之间实现平衡。
• 通过在服务质量（QoS）约束下联合优化主动与被动波束成形，最小化基站功耗。
• 为在单播与多播通信场景中部署STAR-RIS提供性能洞察与设计指导。

提出的方法

• 提出STAR-RIS单元的基本信号模型，其中入射信号通过独立的发射与反射系数被分割为透射与反射分量。
• 引入三种实用工作协议：能量分割（ES）、模式切换（MS）和时隙切换（TS），每种协议具有不同的硬件与信令约束。
• 对于ES，建立非凸优化问题，并通过基于惩罚的迭代算法结合连续凸逼近方法求解。
• 对于MS，通过利用问题结构，将基于惩罚的方法扩展至处理混合整数非凸优化问题。
• 对于TS，将优化问题分解为两个子问题——反射阶段与透射阶段，分别采用凸优化与前沿算法求解。
• 在用户速率与功率约束下，实现基站波束成形与STAR-RIS被动波束成形的联合优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种可重构智能表面，使其能够同时发射与反射信号，实现全空间信号调控？
• RQ2 在频谱效率、能量效率与实现复杂度方面，ES、MS与TS协议之间的性能权衡如何？
• RQ3 在STAR-RIS辅助系统中，联合主动与被动波束成形设计相较于传统RIS，如何降低基站功耗？
• RQ4 在不同QoS要求下，ES、MS与TS协议中哪种最适合单播与多播传输？
• RQ5 在实际无线网络中部署STAR-RIS的关键设计指南是什么，特别是关于信道估计与部署优化方面？

主要发现

• 在单播与多播场景中，STAR-RIS实现的基站功耗显著低于传统仅反射或仅发射的RIS。
• 在单播传输中，当SINR要求较低（γ₀ < 12 dB）时，时隙切换（TS）协议优于其他协议；而在高SINR条件下，能量分割（ES）更优，因其可实现连续用户服务。
• 在多播传输中，ES协议性能最佳，因其能高效同时支持两个用户，且无时分复用开销。
• 随着QoS要求提高（γ₀或γc增大），TS与其他协议之间的性能差距扩大，原因在于TS的时间分配效率较低。
• 数值结果表明，STAR-RIS在能量效率与系统灵活性方面具有显著增益，尤其当用户分布在表面两侧时更为明显。
• 本研究强调应根据通信类型与QoS约束选择合适协议，其中ES在多播及高SINR单播场景下最优，而TS适用于低SINR单播场景。