[論文レビュー] Asymptotic Analysis of Large Intelligent Surface Assisted MIMO Communication

Qurrat-Ul-Ain Nadeem, Abla Kammoun+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用数 50

ひとこと要約

本稿では、$N$ 個の位相シフト素子を用いて信号を受動的に反射することで、はるかに少ないアクティブアンテナ数でマスティブ MIMO に類似した性能を達成する、大規模インテリジェントサーフェス（LIS）支援 MIMO システムを提案する。基地局と LIS 間のランク1およびフルランクの LoS チャネルにおいて、漸近的最適線形ビニングと位相最適化を導出し、$K$ が増加してもSINRの向上が得られることを示し、シミュレーションにより顕著なエネルギー削減とマスティブ MIMO と同等の性能が確認された。

ABSTRACT

This work focuses on the downlink of a single-cell multi-user (MU) system in which a base station (BS) equipped with $M$ antennas communicates with $K$ single-antenna users through a large intelligent surface (LIS) installed in the line-of-sight (LoS) of the BS. LIS is envisioned to offer unprecedented massive multiple-input multiple-output (MIMO) like gains by utilizing $N$ passive reflecting elements that induce phase shifts on the impinging electromagnetic waves to smartly reconfigure the signal propagation environment. We study the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) achieved by the optimal linear precoder (OLP), that maximizes the minimum SINR subject to a given power constraint for any given LIS phase matrix, for the cases where the LoS channel matrix between the BS and the LIS is of rank-one and of full-rank. In the former scenario, the minimum SINR is bounded by a quantity that goes to zero with $K$. For the high-rank scenario, we develop accurate deterministic approximations for the parameters of the asymptotically OLP, which are then utilized to optimize the LIS phase matrix. Simulation results show that the LIS-assisted system can offer massive MIMO like gains with a much fewer number of active antennas, thereby significantly reducing the energy consumption at the BS.

研究の動機と目的

• 単セル下行リンク環境における大規模インテリジェントサーフェス（LIS）支援マルチユーザー MIMO システムの漸近的性能を分析すること。
• 異なるLIS位相行列構成における、総送信電力制約下での最適線形ビニング（OLP）が達成する最小SINRを調査すること。
• 高ランクのLoSチャネルの場合における、漸近的OLPパラメータの確率的近似を導出し、効率的なLIS位相行列最適化を可能とすること。
• LISが、基地局のエネルギー消費を顕著に削減しながらも、マスティブ MIMO に類似したスペクトル効率の向上を実現できることを示すこと。
• LISチャネルランク（ランク1対フルランク）がシステム性能およびユーザー数 $K$ に伴うSINRスケーリングに与える影響を定量化すること。

提案手法

• 基地局（BS）に $M$ 個のアクティブアンテナと $K$ 個の単アンテナユーザーを有する単セルマルチユーザー MIMO システムの下り行リンクをモデル化し、$N$ 個の受動的反射素子を有する大規模インテリジェントサーフェス（LIS）によって支援する。
• BS と LIS 間で視線（LoS）伝搬を仮定し、その間のLoSチャネル行列をランク1またはフルランクとする。
• 与えられたLIS位相行列に対して、総送信電力制約下での最適線形ビニング（OLP）が達成する最小SINRを分析する。
• ランダム行列理論を用いて、フルランクの場合の漸近的OLPパラメータの確実的同等物を導出し、実用的な位相最適化を可能とする。
• 導出された確実的近似に基づく位相行列最適化フレームワークを提案し、最小SINRを最大化する。
• 理論的結果をシミュレーションにより検証し、スペクトル効率およびエネルギー効率の面で従来のマスティブ MIMO と性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BS と LIS 間のLoSチャネルがランク1の場合、ユーザー数 $K$ が増加するにつれて最小SINRはどのように変化するか？
• RQ2 BS と LIS 間のフルランクLoSチャネル状況下における最適線形ビニング（OLP）の漸近的特性は何か？
• RQ3 高SNRおよび大規模 $N$ の領域において、OLPパラメータの精度の高い確実的近似を導出できるか？これによりLIS位相最適化が効率的に行えるか？
• RQ4 LIS支援システムは、基地局のアクティブアンテナ数を著しく減らしても、マスティブ MIMO に類似したスペクトル効率の向上を達成できるか？
• RQ5 エネルギー効率および $K$ に伴うSINRスケーリングの観点から、LIS支援システムは従来のマスティブ MIMO と比較してどの程度優れた性能を示すか？

主な発見

• ランク1のLoSチャネル状況では、最適線形ビニング（OLP）が達成する最小SINRは、ユーザー数 $K$ が増加するにつれてゼロに近づく有限の値で有界である。
• フルランクのLoSチャネル状況では、漸近的OLPパラメータの精度の高い確実的近似が導出され、効果的な位相行列最適化が可能となった。
• 提案されたLIS支援システムは、基地局のアクティブアンテナ数を著しく減らしても、マスティブ MIMO に類似したスペクトル効率の向上を達成した。
• シミュレーション結果により、LIS支援システムが基地局のエネルギー消費を顕著に削減しながらも、高いスペクトル効率を維持することが確認された。
• 最適化されたLIS位相シフトにより最小SINRが最大化され、ユーザー数 $K$ が増加するにつれて性能向上が顕著になった。
• 理論的解析とシミュレーション結果から、LISが伝搬環境を再構成することで、低ハードウェアコストおよび低消費電力でマスティブ MIMO と同等の性能を達成できることを示した。