基于非对角 RIS 的 MIMO 信道塑形与速率最大化
摘要
本文考察了被动可重构智能表面 (RIS) 在多输入多输出 (MIMO) 信道塑形方面能够实现的极限，包括奇异值及其函数（如可达速率和可收集功率）以提升无线性能。我们 depart 从对角 (D) 散射模型，采用超对角 (BD) 模型，该模型利用元素级连接进行被动信号幅度和相位控制。具体而言，在典型的 RIS 部署场景下，推导了分析紧致上界，以揭示 BD-RIS 关于通信次数自由度 (DoF)、奇异值扩散、功率增益和容量的信道塑形潜力。随后提出一种高效的数值方法，用于针对信道奇异值的任意局部 Lipschitz 函数进行 BD-RIS 优化，并用于描述可达奇异值区域。作为副产品，我们通过局部最优交替优化 (AO) 方法和低复杂度塑形方法来解决 BD-RIS 辅助的 MIMO 速率最大化问题。结果表明，BD-RIS 在信道奇异值的动态范围和操控它们之间的权衡方面显著提升，从而实现更高的数据速率、可收集功率和物理层安全性。当 RIS 元素数、组规模或 MIMO 维数增加时，这些优势更为显著。特别值得注意的是，BD-RIS 被证明可以在远低于 D-RIS 的发射功率下激活多流传输并实现渐近 DoF，归功于其在信道塑形方面的高效能力。
引用
@article{arxiv.2407.15196,
title = {MIMO Channel Shaping and Rate Maximization Using Beyond-Diagonal RIS},
author = {Yang Zhao and Hongyu Li and Bruno Clerckx and Massimo Franceschetti},
journal= {arXiv preprint arXiv:2407.15196},
year = {2025}
}
备注
This work has been submitted to the IEEE for possible publication. An earlier version of this paper was named "Channel Shaping Using Beyond Diagonal Reconfigurable Intelligent Surface: Analysis, Optimization, and Enhanced Flexibility"