具有不完美 CSI 的可重构智能表面辅助大规模 MIMO 系统的双时间尺度设计

本文研究可重构智能表面（RIS）辅助的大规模多输入多输出（MIMO）系统的双时间尺度传输设计，其中基站（BS）的波束成形适配于快速变化的瞬时信道状态信息（CSI），而 RIS 的无源波束成形适配于缓慢变化的统计 CSI。具体而言，我们首先提出一种线性最小均方误差（LMMSE）估计器，以在每个信道相干区间内获取从用户到 BS 的聚合信道。基于估计信道，我们在 BS 应用低复杂度的最大比合并（MRC）波束成形，然后以闭式表达式推导出遍历可达速率。为获取设计洞察，我们基于推导的遍历可达速率进行了详细的理论分析。若 BS-RIS 信道为莱斯分布，我们证明当 BS 天线数 $M$ 趋于无穷时，发射功率可按比例缩放为 $1/M$，同时保持非零速率。若 BS-RIS 信道为瑞利分布，发射功率可按比例缩放为随 $M$ 增大时的 $1/\sqrt{M}$，或随反射单元数 $N$ 增大时的 $1/N$，同时仍保持非零速率。通过利用推导的基于 CSI 统计量的数据速率表达式，我们通过设计 RIS 处的无源波束成形来最大化最小用户速率。数值结果证实，即使在不完美 CSI 存在的情况下，在大规模 MIMO 系统中集成 RIS 仍带来可观的性能增益。此外，所得结果揭示，将 RIS 放置在靠近用户而非靠近 BS 是有利的。