We consider a multiple-input multiple-output (MIMO) channel in the presence of a reconfigurable intelligent surface (RIS). Specifically, our focus is on analyzing the spatial multiplexing gains in line-of-sight and low-scattering MIMO channels in the near field. We prove that the channel capacity is achieved by diagonalizing the end-to-end transmitter-RIS-receiver channel, and applying the water-filling power allocation to the ordered product of the singular values of the transmitter-RIS and RIS-receiver channels. The obtained capacity-achieving solution requires an RIS with a non-diagonal matrix of reflection coefficients. Under the assumption of nearly-passive RIS, i.e., no power amplification is needed at the RIS, the water-filling power allocation is necessary only at the transmitter. We refer to this design of RIS as a linear, nearly-passive, reconfigurable electromagnetic object (EMO). In addition, we introduce a closed-form and low-complexity design for RIS, whose matrix of reflection coefficients is diagonal with unit-modulus entries. The reflection coefficients are given by the product of two focusing functions: one steering the RIS-aided signal towards the mid-point of the MIMO transmitter and one steering the RIS-aided signal towards the mid-point of the MIMO receiver. We prove that this solution is exact in line-of-sight channels under the paraxial setup. With the aid of extensive numerical simulations in line-of-sight (free-space) channels, we show that the proposed approach offers performance (rate and degrees of freedom) close to that obtained by numerically solving non-convex optimization problems at a high computational complexity. Also, we show that it provides performance close to that achieved by the EMO (non-diagonal RIS) in most of the considered case studies.


翻译:我们在一个可重新配置的智能表面(RIS)中考虑多重输出(IMIMO)通道。 具体地说, 我们的重点是分析在近场的直视和低振动MIMO频道的空间多重增益。 我们证明,通过对端对端的发报机-IRIS接收器频道进行分解,以及将填水能力分配应用于发报机-RIS和RIS接收器频道的单值产品。 获得的能力实现解决方案需要一个具有非反射系数对端的轨迹矩阵的RIS。 根据假设,在近场的视野和低振动MIMIMO频道中,无需进行电算振动振动振动振动,只有发报到器频道才需要进行充水能力分配。 我们提到,通过将获得的RIS设计称为直线性、近被动、可调整的电磁元件(EMOO) 。 此外,我们引入了一个封闭式和低兼容度的离子线线线线路端阵列, 模拟反射电流的线- 流的线状阵列阵列阵列阵列阵列阵列, 向一个信号方向的磁带的磁带显示一个磁带的磁带的磁带的磁带显示中, 磁带的磁带的磁带的磁带的磁带的磁带的磁带显示显示显示显示显示显示显示中, 。

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