非理想硬件下可重构智能表面辅助无线通信系统的波束成形设计与性能评估
信息论
2022-06-07 v3 math.IT
摘要
可重构智能表面(RIS)能够有效控制入射信号的波前,已成为一种经济高效且前景广阔的方案,用于提升无线系统的频谱与能量效率。现有关于 RIS 的研究大多假设硬件操作是理想的。然而,物理收发机与 RIS 在实践中均不可避免地存在硬件损伤,这会导致严重的系统性能退化并增加波束成形优化的复杂度。因此,现有关于 RIS 的研究,包括信道估计、波束成形优化、频谱与能量效率分析等,无法直接应用于存在硬件损伤的情形。本文在考虑硬件损伤的前提下,进行联合发射与反射波束成形优化,并重新评估系统性能。首先,我们给出了单用户与多用户情形下直连信道与级联信道的闭式估计器,并分析了硬件损伤对信道估计精度的影响。随后,推导了最优发射波束成形解,并提出了一种基于梯度下降法的算法来优化反射波束成形。此外,我们分析了关于发射功率、天线数和反射单元数的三类渐近信道容量。最后,从系统能耗角度分析了功率缩放定律与能量效率。我们的实验结果还揭示了一个令人鼓舞的现象:具有大规模反射单元的 RIS 辅助无线系统,无需大规模天线,也无需分配过多资源来优化反射波束成形,即可实现高频谱与高能量效率。
引用
@article{arxiv.2006.00664,
title = {Beamforming Design and Performance Evaluation for Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Wireless Communication Systems With Non-Ideal Hardware},
author = {Yiming Liu and Erwu Liu and Rui Wang and Binyu Lu and Zhu Han},
journal= {arXiv preprint arXiv:2006.00664},
year = {2022}
}