面向6G的无蜂窝大规模MIMO技术(基于智能超表面RIS)

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来源 微波射频网
 
研究背景
 
多天线技术是公认的提高无线通信网络容量最有效的途径之一。当前5G蜂窝网通信系统中的基站广泛采用了集中式大规模MIMO技术。提高基站密度可进一步提升网络容量,但小区间干扰随之增大,这将限制网络容量的持续提升。近年来提出的无蜂窝大规模MIMO(cell-free massive MIMO)技术可较好地解决上述小区间干扰问题,从而大幅提高网络容量。
 
与传统的以基站为中心的集中式大规模MIMO技术不同,无蜂窝大规模MIMO技术采用了以用户为中心的网络架构,通过部署大量分布式小型基站,并在基站间引入协作来充分消除小区间干扰,从而获得比集中式大规模MIMO更高的网络容量。2020年11月,中国移动发布《2030+技术趋势白皮书》,把无蜂窝大规模MIMO列为6G第一无线使能技术。
 
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以基站为中心的集中式大规模MIMO
 
 
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以用户为中心的无蜂窝大规模MIMO
 
问题与挑战
 
尽管无蜂窝大规模MIMO有望进一步提高网络容量,但部署大量分布式基站意味着更高的系统成本和功耗,这一问题在网络容量需要提高几个量级的未来6G网络中将更为突出。因此,如何在成本和功耗受限的条件下仍能获得容量优势,是无蜂窝大规模MIMO技术应用于未来6G网络必须解决的重要问题之一。
 
3 创新方法
 
得益于超材料技术的快速发展,近年来提出的智能超表面(reconfigurable intelligent surface,RIS)技术为解决上述问题提供了潜在可能。RIS是一种由大量超材料单元构成的无源阵列,能以很低的功耗和成本灵活调控无线环境中的电磁波,从而大幅提高接收信号质量。
 
基于此,我们率先提出了RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO技术,用低成本低功耗的RIS取代无蜂窝网络中的部分基站,同时在系统中部署更多的RIS以进一步提高网络容量,从而较好地解决了无蜂窝网络的成本和功耗问题。
 
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无蜂窝大规模MIMO中的RIS(“万绿丛中几点红”)
 
进一步,对于RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO系统,我们设计和建模了该系统的联合预编码问题,通过联合优化基站端的有源预编码和RIS端的无源预编码,以最大化多用户宽带系统的和速率性能。由于我们所考虑场景的一般性,即多基站、多用户、多RIS、多载波,现有大部分工作中所考虑的应用场景是我们研究场景的特例。
 
最后,为了解决上述联合预编码问题,我们提出了一套基于分式规划的联合预编码设计方法的基本框架。该框架利用二次型变换将有源预编码和无源预编码的设计问题解耦为多个子问题,然后通过交替求解这些子问题,以获得可收敛的联合预编码方案。由于本文所讨论场景的一般性,该设计框架不仅能够在所提出的RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO系统中有效解决预编码设计问题,而且可以直接用于解决现有大多数RIS辅助通信系统的和速率优化问题,故有望成为RIS辅助通信系统预编码设计的一种通用方法。
 
有益效果
 
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仿真场景
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系统和速率性能仿真结果
 
仿真结果表明,相较于现有的无蜂窝大规模MIMO, RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO能够以低成本低功耗有效提升网络容量约30%。换言之,在满足网络容量需求的前提下,所提方法可有效降低系统成本和功耗,在未来6G系统中具有潜在的应用价值。
 
论文信息
 
会议版本:
[1] Z. Zhang and L. Dai, “Capacity improvement in wideband reconfigurable intelligent surface-aided cell-free network,” in Proc. IEEE 21st International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (IEEE SPAWC’20), Atlanta, USA, May 2020. 
 
期刊版本:
[2] Z. Zhang and L. Dai, “A joint precoding framework for wideband reconfigurable intelligent surface-aided cell-free network,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 69, pp. 4085-4101, Aug. 2021.
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