核心概念
本文研究了雙極化可重構智能反射面 (RIS) 系統中的寬波束反射設計,旨在為位於未知位置的用戶提供均勻的信號覆蓋,特別是在廣播場景中。
論文資訊
Ramezani, P., Girnyk, M. A., & Björnson, E. (2024). On Broad-Beam Reflection for Dual-Polarized RIS-Assisted MIMO Systems. arXiv preprint arXiv:2410.07134v1.
研究目標
本研究旨在設計雙極化可重構智能反射面 (RIS) 的相位配置,使其能夠輻射寬波束,從而為覆蓋範圍內所有潛在用戶提供均勻的信號覆蓋,特別是在廣播場景中。
研究方法
研究利用了自相關函數和功率譜在空間/空間頻率域中的對偶性來設計寬波束反射的配置。
首先考慮自由空間視距 (LoS) 基站-RIS 信道,並證明 RIS 配置矩陣必須形成 Golay 互補陣列對才能實現寬波束輻射。
針對任意基站-RIS 信道,提出了一種基於隨機優化的算法,通過放寬對均勻寬度的要求來找到產生實際寬波束的 RIS 配置。
主要發現
當基站和 RIS 之間的信道為純粹的 LoS 時,當且僅當 RIS 配置矩陣設置為 Golay 互補陣列對時,才能實現均勻的寬波束。
對於具有非視距 (NLoS) 傳播路徑的任意基站-RIS 信道,由於基站和 RIS 之間信道幅度的變化,無法保證實現均勻的寬輻射波束。
提出的基於隨機優化的 ǫ-互補算法可以設計出產生實際寬波束的 RIS 配置,並幾乎均勻地覆蓋所有角度區域。
主要結論
雙極化 RIS 可以通過適當設計其相位配置來有效地產生寬波束,從而為位於未知位置的用戶提供均勻的信號覆蓋。
所提出的寬波束成形方案可以有效地以合理的頻譜效率服務於位於未知位置的所有用戶,並且所提出的方法提供的最小頻譜效率遠大於基準方案。
與單極化 RIS 相比,使用雙極化 RIS 的優勢在於可以獲得更高的最小頻譜效率。
研究意義
本研究為雙極化 RIS 輔助通信系統中的寬波束反射設計提供了新的思路和方法,對於支持廣播通信和增強用戶體驗具有重要意義。
局限性和未來研究方向
本文主要考慮單天線用戶的情況,未來可以進一步研究多天線用戶場景下的寬波束設計。
未來研究可以探索更複雜的信道模型,例如考慮極化間洩漏和極化旋轉角度的影響。
可以進一步研究寬波束成形與其他技術的結合,例如用戶调度和功率分配,以進一步提高系統性能。
統計資料
Golay 互補陣列對產生的總功率域陣列因子在所有方位角和仰角上均為常數,為 A(ϕ, θ) = 10 log(2N) = 24.08 dB。
與寬波束成形相比,用戶特定波束成形的陣列因子在不同角度上有顯著波動,並且在某些方向上的接收功率可以忽略不計。
用戶特定波束成形在所有方向上的平均陣列因子值為 3.61 dB,遠小於寬波束成形獲得的陣列因子。