研究背景
多天線技術是公認的提高無線通信網(wǎng)絡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。提高基站密度可進一步提升網(wǎng)絡容量，但小區(qū)間干擾隨之增大，這將限制網(wǎng)絡容量的持續(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)絡容量。
與傳統(tǒng)的以基站為中心的集中式大規(guī)模MIMO技術不同，無蜂窩大規(guī)模MIMO技術采用了以用戶為中心的網(wǎng)絡架構，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)絡容量。2020年11月，中國移動發(fā)布《2030+技術趨勢白皮書》，把無蜂窩大規(guī)模MIMO列為6G第一無線使能技術。
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)絡容量需要提高幾個量級的未來6G網(wǎng)絡中將更為突出。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技術應用于未來6G網(wǎng)絡必須解決的重要問題之一。
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創(chuàng)新方法
得益于超材料技術的快速發(fā)展，近年來提出的智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）技術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成的無源陣列，能以很低的功耗和成本靈活調控無線環(huán)境中的電磁波，從而大幅提高接收信號質量。
基于此，我們率先提出了RIS輔助的無蜂窩大規(guī)模MIMO技術，用低成本低功耗的RIS取代無蜂窩網(wǎng)絡中的部分基站，同時在系統(tǒng)中部署更多的RIS以進一步提高網(wǎng)絡容量，從而較好地解決了無蜂窩網(wǎng)絡的成本和功耗問題。
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)，我們設計和建模了該系統(tǒng)的聯(lián)合預編碼問題，通過聯(lián)合優(yōu)化基站端的有源預編碼和RIS端的無源預編碼，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)合預編碼問題，我們提出了一套基于分式規(guī)劃的聯(lián)合預編碼設計方法的基本框架。該框架利用二次型變換將有源預編碼和無源預編碼的設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)合預編碼方案。由于本文所討論場景的一般性，該設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)中有效解決預編碼設計問題，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)預編碼設計的一種通用方法。
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有益效果
仿真場景
系統(tǒng)和速率性能仿真結果
仿真結果表明，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)絡容量約30%。換言之，在滿足網(wǎng)絡容量需求的前提下，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.
