Passive Beamforming and Information Transfer Design for Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided Multiuser MIMO Systems

波束赋形 多输入多输出 计算机科学 信道状态信息 电信线路 频道(广播) 信息传递 消息传递 因子图 算法 双线性插值 数学优化 计算机工程 理论计算机科学 解码方法 无线 电信 分布式计算 数学 计算机视觉
作者
Wenjing Yan,Xiaojun Yuan,Zhen-Qing He,Xiaoyan Kuai
出处
期刊:IEEE Journal on Selected Areas in Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:38 (8): 1793-1808 被引量:200
标识
DOI:10.1109/jsac.2020.3000811
摘要

This paper investigates the passive beamforming and information transfer (PBIT) technique for multiuser multiple-input multiple-output (Mu-MIMO) systems with the aid of reconfigurable intelligent surfaces (RISs), where the RISs enhance the primary communication via passive beamforming (P-BF) and at the same time deliver additional information by the on-off reflecting modulation (in which the RIS information is carried by the on/off state of each reflecting element). For the P-BF design, we propose to maximize the achievable user sum rate of the RIS-aided Mu-MIMO channel and formulate the problem as a two-step stochastic program. A sample average approximation (SAA) based iterative algorithm is developed for the efficient P-BF design of the considered scheme. To strike a balance between complexity and performance, we further propose a simplified P-BF algorithm by approximating the stochastic program as a deterministic alternating optimization problem. For the receiver design, the signal detection at the receiver is a bilinear estimation problem since the RIS information is multiplicatively modulated onto the reflected signals of the reflecting elements. To solve this bilinear estimation problem, we develop a turbo message passing (TMP) algorithm in which the factor graph associated with the problem is divided into two modules: one for the estimation of the user signals and the other for the estimation of the on-off state of each RIS element. The two modules are executed iteratively to yield a near-optimal low-complexity solution. Furthermore, we extend the design of the Mu-MIMO PBIT scheme from single-RIS to multi-RIS, by leveraging the similarity between the single-RIS and multi-RIS system models. Extensive simulation results are provided to demonstrate the advantages of our P-BF and receiver designs.

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