← 返回
联合波束成形与功率分配设计用于堆叠式智能超表面辅助的无蜂窝大规模MIMO系统
Joint Beamforming and Power Allocation Design for Stacked Intelligent Metasurfaces-Aided Cell-Free Massive MIMO Systems
| 作者 | Yating Hu · Jiayi Zhang · Enyu Shi · Yu Lu · Jiancheng An · Chau Yuen |
| 期刊 | IEEE Transactions on Vehicular Technology |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 堆叠智能超表面 无蜂窝大规模MIMO 联合波束赋形 功率分配 交替优化算法 |
语言:
中文摘要
堆叠式智能超表面(SIM)被视为一项具有革命性的技术,它可直接在电磁波域实现强大的信号处理,并且具有显著的节能优势。在本文中,我们探究了结合联合波束赋形和功率分配的 SIM 辅助无蜂窝大规模多输入多输出(CF - mMIMO)系统的性能。具体而言,我们联合设计接入点(AP)的发射功率分配和 SIM 的基于波的波束赋形,以最大化系统和速率。为解决这一复杂的非凸问题,我们提出了一种基于交替优化(AO)的迭代算法,该算法将原问题分解为两个子问题。对于发射功率分配子问题,采用最大比传输(MRT)来最大化信号接收功率。对于 SIM 相移优化子问题,采用高效的梯度上升算法以确保收敛到局部最优解。仿真结果表明,与基准方法相比,所提出的 AO 算法的性能有所提升。此外,数值结果与 RIS 辅助的 CF - mMIMO 系统的结果进行了对比,凸显了 SIM 在无蜂窝网络中的优势,并证明了基于 SIM 的基于波的波束赋形设计的有效性,其中增加 SIM 的超原子数量和层数有利于提高和速率。
English Abstract
Stacked intelligent metasurfaces (SIM) is considered a revolutionary technology that enables powerful signal processing directly in the electromagnetic (EM) wave domain and has significant energy-saving advantages. In this work, we explore the performance of a SIM-aided cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) system that incorporates joint beamforming and power allocation. Specifically, we jointly design the transmit power allocation at access points (APs) and the wave-based beamforming at SIMs for maximizing the system sum rate. An alternating optimization (AO)-based iterative algorithm is proposed for solving the complex non-convex problem, which is decomposed into two subproblems. For the transmit power allocation subproblem, maximum ratio transmission (MRT) is employed to maximize signal receiving power. For the optimization subproblem of SIM phase shifts, a proficient gradient ascent algorithm is deployed to ensure convergence to a local optimum. Simulation results show an enhancement in the performance of the proposed AO algorithm compared to baseline methods. Additionally, numerical results contrast with those of RIS-aided CF-mMIMO systems, highlighting the advantages of SIMs in CF networks and demonstrating the efficacy of SIM-enabled wave-based beamforming design, where increasing the number of meta-atoms and layers of SIMs is beneficial for improving the sum rate.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇关于堆叠智能超表面辅助无蜂窝大规模MIMO系统的论文,其核心技术与我们在分布式新能源发电和储能系统的通信网络优化方面存在潜在关联价值。
该技术的堆叠智能超表面(SIM)能够在电磁波域直接进行信号处理,具有显著的节能优势,这与阳光电源追求高效能源利用的理念高度契合。在我们的分布式光伏电站和储能系统场景中,大量逆变器、电池管理系统和监控设备需要可靠的无线通信支撑。传统通信方案面临功耗高、覆盖受限等挑战,而SIM技术通过波束成形和功率分配联合优化,可显著提升通信效率并降低能耗,这对于大规模光伏电站和储能电站的智能运维具有实际意义。
论文提出的无蜂窝架构(Cell-Free)与阳光电源分布式能源管理系统的拓扑结构存在相似性。多个接入点协同服务用户的模式,类似于我们多台逆变器和储能变流器协同工作的场景。通过借鉴其交替优化算法,可能改进我们在设备间协同通信、数据采集和控制指令传输方面的性能。
然而,该技术目前仍处于理论研究阶段,距离工程化应用尚有距离。主要挑战包括:超表面材料的环境适应性(如户外光伏电站的高温、粉尘环境)、系统复杂度带来的成本增加、与现有通信标准的兼容性等。建议阳光电源保持技术跟踪,在5G/6G专网通信方案中评估其长期应用潜力,特别关注其在降低通信功耗、提升边缘计算能力方面的价值。