This paper investigates the downlink power allocation of the simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS)-assisted cell-free massive multiple-input multiple-output (MIMO) system with multi-antenna users. We introduce downlink spectral efficiency (SE) and derive novel closed-form SE expressions using linear minimum mean squared error (MMSE) detectors. We also address the downlink power allocation via a sum SE maximization problem framed within an alternating direction method of multipliers (ADMM)-based fractional programming (FP) algorithm. Numerical results demonstrate that systems utilizing multi-antenna users significantly enhance SE, achieving at least a 20% SE increase as the number of antennas increases from one to six. Additionally, our proposed ADMM-based FP algorithm outperforms existing fractional power control approaches, yielding a more than 20% SE increase. These results highlight the necessity for adopting multi-antenna users and efficient power allocation algorithms in STAR-RIS-assisted cell-free massive MIMO systems.


翻译:本文研究了多天线用户场景下,同时透射与反射可重构智能表面辅助的无蜂窝大规模多输入多输出系统的下行功率分配问题。我们引入下行频谱效率指标,并基于线性最小均方误差检测器推导出新颖的闭式频谱效率表达式。同时,我们通过构建和频效率最大化问题,并采用基于交替方向乘子法的分式规划算法来处理下行功率分配。数值结果表明,采用多天线用户的系统能显著提升频谱效率,在天线数量从一根增加到六根时,频谱效率至少提升20%。此外,我们提出的基于交替方向乘子法的分式规划算法优于现有的分式功率控制方法,可实现超过20%的频谱效率提升。这些结果凸显了在STAR-RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO系统中采用多天线用户和高效功率分配算法的必要性。

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