Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs), comprising large numbers of low-cost and almost passive metamaterials with tunable reflection properties, have been recently proposed as an enabling technology for programmable wireless propagation environments. In this paper, we present asymptotic closed-form expressions for the mean and variance of the mutual information metric for a multi-antenna transmitter-receiver pair in the presence of multiple RISs, using methods from statistical physics. While nominally valid in the large system limit, we show that the derived Gaussian approximation for the mutual information can be quite accurate, even for modest-sized antenna arrays and metasurfaces. The above results are particularly useful when fast-fading conditions are present, which renders instantaneous channel estimation extremely challenging. We find that, when the channel close to an RIS is correlated, for instance due to small angle spread, which is reasonable for wireless systems with increasing carrier frequencies, the communication link benefits significantly from statistical RIS phase optimization, resulting in gains that are surprisingly higher than the nearly uncorrelated case. Using our novel asymptotic properties of the correlation matrices of the impinging and outgoing signals at the RISs, we can optimize the metasurfaces without brute-force numerical optimization. Furthermore, when the desired reflection from any of the RISs departs significantly from geometrical optics, the metasurfaces can be optimized to provide robust communication links, without significant need for their optimal placement.


翻译:重新配置的智能表面(RIS)由大量低成本和几乎被动的具有可调试反射特性的低成本和近似被动的元材料组成,最近有人提议将它作为可用于可编程无线传播环境的赋能技术。在本文中,我们用统计物理方法的方法,提出多个RIS存在多亚硝氧发射机接收器的双对的相互信息度衡量的平均值和差异的零星封闭式表达方式。虽然在大型系统限制中名义上是有效的,但我们表明,即使对规模不大的天线阵列和元表层而言,相互信息的取自高斯近似非常准确。如果存在快速失常的条件,则上述结果特别有用,使得瞬间频道估计极具挑战性。我们发现,如果频道接近RIS,例如由于角度扩散小而比较合理,则通信联系会大大受益于统计里静系统阶段的优化,其收益会惊人地高于几乎与非相关的情况。 利用我们的新颖的深度天线阵列阵列阵列特性,因此,其最优化的深度的面面面关系会提供我们最优化的面面上最优化的反映的面的面的面面面面的面的面阵列。

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