This paper investigates the passive beamforming and information transfer (PBIT) technique for multiuser multiple-input multiple-output (Mu-MIMO) systems with the aid of reconfigurable intelligent surfaces (RISs), where the RISs enhance the primary communication via passive beamforming (P-BF) and at the same time deliver additional information by the on-off reflecting modulation (in which the RIS information is carried by the on/off state of each reflecting element). For the P-BF design, we propose to maximize the achievable user sum rate of the RIS-aided Mu-MIMO channel and formulate the problem as a two-step stochastic program. A sample average approximation (SAA) based iterative algorithm is developed for the efficient P-BF design of the considered scheme. To strike a balance between complexity and performance, we further propose a simplified P-BF algorithm by approximating the stochastic program as a deterministic alternating optimization problem. For the receiver design, the signal detection at the receiver is a bilinear estimation problem since the RIS information is multiplicatively modulated onto the reflected signals of the reflecting elements. To solve this bilinear estimation problem, we develop a turbo message passing (TMP) algorithm in which the factor graph associated with the problem is divided into two modules: one for the estimation of the user signals and the other for the estimation of the on-off state of each RIS element. The two modules are executed iteratively to yield a near-optimal low-complexity solution. Furthermore, we extend the design of the Mu-MIMO PBIT scheme from single-RIS to multi-RIS, by leveraging the similarity between the single-RIS and multi-RIS system models. Extensive simulation results are provided to demonstrate the advantages of our P-BF and receiver designs.

Large intelligent surface (LIS) has emerged as a promising new solution to improve the energy and spectrum efficiency of wireless networks. A LIS, composed of a large number of low-cost nearly-passive reconfigurable reflecting elements, enhances wireless communications by reflecting impinging electromagnetic waves. In this letter, we propose a novel passive beamforming and information transfer (PBIT) technique by adopting spatial modulation on the index of the LIS elements, in which the LIS simultaneously enhances the primary communication (by passive beamforming) and sends its private data to the receiver (by spatial modulation). We develop a passive beamforming method to improve the average receive signal-to-noise ratio (SNR). We also establish a two-step approach at the receiver to retrieve the information from both the transmitter and the LIS. Numerical results show that the proposed PBIT system, especially with the optimized passive beamforming, significantly outperforms the system without LIS enhancement. Furthermore, a tradeoff between the passive-beamforming gain and the information rate of the LIS has been demonstrated.