[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Assisted Multi-User MISO Communication

Qurrat-Ul-Ain Nadeem, Abla Kammoun+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 35

ひとこと要約

本稿では、無線伝搬環境を受動的に再構成することでスペクトル効率およびエネルギー効率を向上させる、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）支援マルチユーザーMIMOシステムを提案する。受動的反射素子とMMSEベースのチャネル推定を活用することで、低ハードウェア複雑性および低消費電力で顕著な合計レート向上を達成し、グリーンで制御可能なBeyond-5Gネットワークを実現する。

ABSTRACT

The recently completed global standard for 5G new radio air interface focuses on fulfilling key performance indicators for the new generation of cellular networks through several cutting-edge technologies, including Massive multiple-input multiple-output (MIMO), millimeter (mm)-Wave communication and network densification. However, these technologies face two main practical limitations 1) the lack of control over the wireless propagation environment, and 2) the high power consumption of the wireless interface. To address the need for green and sustainable future cellular networks with control over the propagation channel, the concept of reconfiguring wireless propagation environments using Intelligent Reflecting Surfaces (IRS)s has emerged for beyond 5G networks. An IRS comprises of a large number of low-cost passive reflecting elements that can smartly reconfigure the signal propagation for performance enhancement. In this paper, we discuss the role of passive IRSs in reconfiguring wireless propagation environments, introduce an IRS-assisted multi-user MIMO communication system, outline the communication-theoretic model and minimum mean squared error (MMSE) based channel estimation protocol for its design and analysis, and present performance evaluation results to illustrate the efficiency of the proposed system.

研究の動機と目的

• 現在の5Gネットワークにおける無線伝搬環境の制御不足に対処すること。
• 密なネットワークにおけるアクティブMIMOおよびmmWave技術に伴う高い消費電力の低減。
• 受動的インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を用いて、グリーンで持続可能かつ制御可能な無線通信を実現すること。
• 実用的な通信理論的モデルとチャネル推定プロトコルを備えたIRS支援マルチユーザーMIMOシステムの設計。
• IRSがスペクトル効率およびシステム合計レートを向上させる性能向上の評価。

提案手法

• 低コストの受動的反射素子を多数用いたIRS支援マルチユーザーMISO通信システムの設計。
• IRSにおける位相シフトによって制御される再構成可能チャネルとしての無線伝搬環境のモデル化。
• 位相シフト反射係数を用いた上行リンクおよび下行リンク伝送の信号モデルの定式化。
• カスケードチャネル状態情報（CSI）を推定するため、最小平均二乗誤差（MMSE）ベースのチャネル推定プロトコルの実装。
• 消費電力制約のもとでシステム合計レートを最大化するためのIRSにおける位相シフトの最適化。
• 空間多重と干渉管理を可能にするために、マルチユーザーMIMOフレームワークにIRSを統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSをどのようにマルチユーザーMIMOシステムに統合することでスペクトル効率を向上させ、消費電力を低減できるか？
• RQ2 マルチユーザー下行リンク伝送において、IRSによる受動的ビームフォーミングが合計レート性能に与える影響は何か？
• RQ3 不完全なCSIを伴うIRS支援システムにおいて、MMSEベースのチャネル推定はどのように機能するか？
• RQ4 従来のMIMOシステムと比較して、実現可能なスペクトル効率およびエネルギー効率の向上はどの程度か？
• RQ5 マルチユーザー環境において、IRSの反射素子数がシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• 提案されたIRS支援システムは、無線伝搬環境を能動的に整形することで、従来のMIMOシステムと比較して顕著な合計レート向上を達成する。
• IRSによる受動的ビームフォーミングは、追加の消費電力なしに干渉抑制と信号強化を実現する。
• MMSEベースのチャネル推定プロトコルは、低パイロットオーバーヘッドで高精度なカスケードチャネル状態情報（CSI）を提供する。
• 複数ユーザーにわたる信号反射の知的制御により、システムは高いスペクトル効率を示す。
• IRSの受動的特性のおかげで、アクティブMIMOやビームフォーミングシステムと比較して、顕著に低いハードウェアおよび運用消費電力が実現される。
• シミュレーション結果は、反射素子の数が中程度であっても、IRSの導入がシステム性能を向上させることを確認している。