Science China Information Sciences 第9期最新出版了来自上海师范大学与东南大学研究团队联合研究的论文“Performance analysis of active RIS aided multi-pair full-duplex communications with spatial correlation and imperfect CSI”（第一作者：上海师范大学彭张节副教授，通讯作者：东南大学潘存华教授）。论文研究了有源RIS赋能的多对用户双向全双工通信系统中的信道估计方案与传输方案。
研究意义
为了克服传统无源RIS赋能的无线通信系统中由“乘性衰落”效应造成的性能损失，学者们提出了新型有源RIS。有源RIS能够对反射信号进行相位调控与高增益放大，从而进一步释放RIS技术在未来无线通信领域的应用潜力。有源RIS技术与全双工技术相融合，有望进一步提升无线通信系统的传输速率。
RIS平面通常尺寸较小、元件间排列紧密，将导致反射信道存在空间相关性。同时，有源RIS赋能的系统中，如何设计级联信道估计方案值得研究。
本文工作
本文针对有源RIS赋能的多对用户双向全双工通信系统，利用LMMSE方法估计级联信道，设计传输方案，系统模型如图1所示。
首先，利用LMMSE方法估计出用户-有源RIS-用户间的级联信道。然后，基于级联信道的估计值，利用随机矩阵理论与大数定律，推导出系统可达和速率的近似闭合表达式。同时，本文推导出视距链路下（系统中散射体较少时）系统可达和速率的渐近表达式。此外，本文考虑用户发射功率相同时，推导出高信噪比条件下系统可达和速率的渐近表达式。基于推导的近似闭合表达式，设计RIS相移优化方案以提升系统性能。最后，本文通过仿真结果验证了理论推导的正确性，信道估计方案与RIS相移优化算法的有效性。
实验结果
文章验证在空间相关信道模型下，有源RIS赋能的多对用户双向全双工通信系统中推导结论的正确性；并在系统总功耗相同的情况下，比较了有源RIS与无源RIS为该系统所带来的可达和速率增益。
由图2可见，不同场景下推导的可达和速率的近似闭合表达式与相应的蒙特卡洛仿真结果匹配，验证了本文中推导的理论结果的准确性。本文采用的LMMSE估计方法得到的系统可达和速率与完美CSI假设下的结果相近。此外，在相同系统功耗下，有源RIS带来的系统性能增益优于无源RIS。与无源RIS相比，有源RIS可以克服“乘性衰落”效应带来的性能损失，即显著提升多对用户双向全双工通信系统的可达和速率。
由图3可见，当莱斯因子不断增大时，信道的视距分量相较于非视距分量强度逐渐增大。由于视距分量为已知信息，此时由信道估计误差带来的系统性能损失逐渐减小。随着莱斯因子增大，系统在不同场景下的可达和速率不断增加并逐渐收敛于不同数值。这意味着当信道环境中存在丰富的散射时，系统可达和速率较低；反之系统可达和速率较高。因此，在有源RIS赋能的多对用户双向全双工通信系统中，应该将有源RIS部署在散射体较少的位置。
图4研究了相移优化设计后，有源RIS/无源RIS赋能的多对用户双向全双工通信系统可达和速率与移相器量化比特数间的变化。由图4可见，经过最优相移设计后，系统的可达和速率随着相移量化比特数不断增加，随后逐渐收敛于连续相移的效果。为了降低使用高精度仪器带来的成本开销，在有源RIS与无源RIS赋能的系统下，设置移相器量化精度为3即可以实现较理想的系统性能。
文章下载
Zhangjie PENG, Xueya LIU, Xue LIU, et al. Performance analysis of active RIS-aided multi-pair full-duplex communications with spatial correlation and imperfect CSI. Sci China Inf Sci, 2023, 66(9): 192304, doi: 10.1007/s11432-023-3799-6
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