Intelligent metasurfaces may be harnessed for realizing efficient holographic multiple-input and multiple-output (MIMO) systems, at a low hardware-cost and high energy-efficiency. As part of this family, we propose a hybrid beamforming design for stacked intelligent metasurfaces (SIM) aided wideband wireless systems relying on the near-field channel model. Specifically, the holographic beamformer is designed based on configuring the phase shifts in each layer of the SIM for maximizing the sum of the baseband eigen-channel gains of all users. To optimize the SIM phase shifts, we propose a layer-by-layer iterative algorithm for optimizing the phase shifts in each layer alternately. Then, the minimum mean square error (MMSE) transmit precoding method is employed for the digital beamformer to support multi-user access. Furthermore, the mitigation of the SIM phase tuning error is also taken into account in the digital beamformer by exploiting its statistics. The power sharing ratio of each user is designed based on the iterative waterfilling power allocation algorithm. Additionally, our analytical results indicate that the spectral efficiency attained saturates in the high signal-to-noise ratio (SNR) region due to the phase tuning error resulting from the imperfect SIM hardware quality. The simulation results show that the SIM-aided holographic MIMO outperforms the state-of-the-art (SoA) single-layer holographic MIMO in terms of its achievable rate. We further demonstrate that the near-field channel model allows the SIM-based transceiver design to support multiple users, since the spatial resources represented both by the angle domain and the distance domain can be exploited.


翻译:智能超表面可用于实现高效的全息多输入多输出(MIMO)系统,其硬件成本低且能量效率高。作为该技术体系的一部分,我们提出了一种基于近场信道模型的、用于堆叠智能超表面(SIM)辅助宽带无线系统的混合波束成形设计。具体而言,全息波束成形器通过配置SIM每一层的相移来设计,以最大化所有用户基带特征信道增益之和。为优化SIM相移,我们提出了一种逐层迭代算法,以交替优化每一层的相移。随后,数字波束成形器采用最小均方误差(MMSE)发射预编码方法来支持多用户接入。此外,数字波束成形器还通过利用其统计特性,考虑了SIM相位调谐误差的抑制。每个用户的功率分配比例基于迭代注水功率分配算法进行设计。此外,我们的分析结果表明,由于不完善的SIM硬件质量导致的相位调谐误差,所实现的频谱效率在高信噪比(SNR)区域趋于饱和。仿真结果表明,SIM辅助的全息MIMO在可达速率方面优于最先进的单层全息MIMO。我们进一步证明,近场信道模型使得基于SIM的收发机设计能够支持多用户,因为可以利用由角度域和距离域共同表示的空间资源。

0
下载
关闭预览

相关内容

设计是对现有状的一种重新认识和打破重组的过程,设计让一切变得更美。
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员