研究背景

　　多天線技術(shù)是公認的提高無線通信網(wǎng)絡(luò)容量最有效的途徑之一。當前5G蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)中的基站廣泛采用了集中式大規(guī)模MIMO技術(shù)。提高基站密度可進一步提升網(wǎng)絡(luò)容量，但小區(qū)間干擾隨之增大，這將限制網(wǎng)絡(luò)容量的持續(xù)提升。近年來提出的無蜂窩大規(guī)模MIMO（cell-free massive MIMO）技術(shù)可較好地解決上述小區(qū)間干擾問題，從而大幅提高網(wǎng)絡(luò)容量。

　　與傳統(tǒng)的以基站為中心的集中式大規(guī)模MIMO技術(shù)不同，無蜂窩大規(guī)模MIMO技術(shù)采用了以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過部署大量分布式小型基站，并在基站間引入?yún)f(xié)作來充分消除小區(qū)間干擾，從而獲得比集中式大規(guī)模MIMO更高的網(wǎng)絡(luò)容量。2020年11月，中國移動發(fā)布《2030+技術(shù)趨勢白皮書》，把無蜂窩大規(guī)模MIMO列為6G第一無線使能技術(shù)。

　　以基站為中心的集中式大規(guī)模MIMO

　　以用戶為中心的無蜂窩大規(guī)模MIMO

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　　問題與挑戰(zhàn)

　　盡管無蜂窩大規(guī)模MIMO有望進一步提高網(wǎng)絡(luò)容量，但部署大量分布式基站意味著更高的系統(tǒng)成本和功耗，這一問題在網(wǎng)絡(luò)容量需要提高幾個量級的未來6G網(wǎng)絡(luò)中將更為突出。因此，如何在成本和功耗受限的條件下仍能獲得容量優(yōu)勢，是無蜂窩大規(guī)模MIMO技術(shù)應(yīng)用于未來6G網(wǎng)絡(luò)必須解決的重要問題之一。

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　　創(chuàng)新方法

　　得益于超材料技術(shù)的快速發(fā)展，近年來提出的智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）技術(shù)為解決上述問題提供了潛在可能。RIS是一種由大量超材料單元構(gòu)成的無源陣列，能以很低的功耗和成本靈活調(diào)控?zé)o線環(huán)境中的電磁波，從而大幅提高接收信號質(zhì)量。

　　基于此，我們率先提出了RIS輔助的無蜂窩大規(guī)模MIMO技術(shù)，用低成本低功耗的RIS取代無蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的部分基站，同時在系統(tǒng)中部署更多的RIS以進一步提高網(wǎng)絡(luò)容量，從而較好地解決了無蜂窩網(wǎng)絡(luò)的成本和功耗問題。

　　無蜂窩大規(guī)模MIMO中的RIS（“萬綠叢中幾點紅”）

　　進一步，對于RIS輔助的無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，我們設(shè)計和建模了該系統(tǒng)的聯(lián)合預(yù)編碼問題，通過聯(lián)合優(yōu)化基站端的有源預(yù)編碼和RIS端的無源預(yù)編碼，以最大化多用戶寬帶系統(tǒng)的和速率性能。由于我們所考慮場景的一般性，即多基站、多用戶、多RIS、多載波，現(xiàn)有大部分工作中所考慮的應(yīng)用場景是我們研究場景的特例。

　　最后，為了解決上述聯(lián)合預(yù)編碼問題，我們提出了一套基于分式規(guī)劃的聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計方法的基本框架。該框架利用二次型變換將有源預(yù)編碼和無源預(yù)編碼的設(shè)計問題解耦為多個子問題，然后通過交替求解這些子問題，以獲得可收斂的聯(lián)合預(yù)編碼方案。由于本文所討論場景的一般性，該設(shè)計框架不僅能夠在所提出的RIS輔助的無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中有效解決預(yù)編碼設(shè)計問題，而且可以直接用于解決現(xiàn)有大多數(shù)RIS輔助通信系統(tǒng)的和速率優(yōu)化問題，故有望成為RIS輔助通信系統(tǒng)預(yù)編碼設(shè)計的一種通用方法。

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　　有益效果

　　仿真場景

　　系統(tǒng)和速率性能仿真結(jié)果

　　仿真結(jié)果表明，相較于現(xiàn)有的無蜂窩大規(guī)模MIMO， RIS輔助的無蜂窩大規(guī)模MIMO能夠以低成本低功耗有效提升網(wǎng)絡(luò)容量約30%。換言之，在滿足網(wǎng)絡(luò)容量需求的前提下，所提方法可有效降低系統(tǒng)成本和功耗，在未來6G系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用價值。

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　　論文信息

　　會議版本：

　　[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.