[論文レビュー] Is RIS-Aided Massive MIMO Promising with ZF Detectors and Imperfect CSI?

Kangda Zhi, Cunhua Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、不完全なCSI下でのZFBF検出を伴うRIS支援MIMOにおける低コストなMMSEチャネル推定器を提案し、上行リンクにおける実現可能レートの閉形式式を導出する。解析的に、ユーザーのレートが少なくとも $\/mathcal{O}(\log_2(MN))$ のスケーリングを示し、RISの位相シフトを1つのユーザーに合わせると $\mathcal{O}(\log_2(MN^2))$ に達する可能性があることを示す。これにより、レートを維持したまま $N$ に比例したパワーまたはアンテナ数の削減が可能となる。2つの低コストなMMベースのアルゴリズムにより、各イテレーションで閉形式解を得ることで、合計レートおよび最小ユーザーレートの最適化を実現する。

ABSTRACT

This paper provides a theoretical framework for understanding the performance of reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided massive multiple-input multiple-output (MIMO) with zero-forcing (ZF) detectors under imperfect channel state information (CSI). We first propose a low-overhead minimum mean square error (MMSE) channel estimator, and then derive and analyze closed-form expressions for the uplink achievable rate. Our analytical results demonstrate that: $1)$ regardless of the RIS phase shift design, the rate of all users scales at least on the order of $\mathcal{O}\left(\log_2\left(MN ight) ight)$, where $M$ and $N$ are the numbers of antennas and reflecting elements, respectively; $2)$ by aligning the RIS phase shifts to one user, the rate of this user can at most scale on the order of $\mathcal{O}\left(\log_2\left(MN^2 ight) ight)$; $3)$ either $M$ or the transmit power can be reduced inversely proportional to $N$, while maintaining a given rate. Furthermore, we propose two low-complexity majorization-minimization (MM)-based algorithms to optimize the sum user rate and the minimum user rate, respectively, where closed-form solutions are obtained in each iteration. Finally, simulation results validate all derived analytical results. Our simulation results also show that the maximum sum rate can be closely approached by simply aligning the RIS phase shifts to an arbitrary user.

研究の動機と目的

• 不完全なCSI下でのZFBF検出を伴うRIS支援MIMOの理論的枠組みを確立すること。
• マルチユーザーRIS支援システムにおける上行リンク実現可能レートの閉形式式を導出すること。
• ユーザーのレートがアンテナ数 $M$ および反射素子数 $N$ に対してどのようにスケーリングするかを調査すること。
• 合計レートおよび最小ユーザーレートの最大化のための低コストな最適化アルゴリズムを提案すること。
• シミュレーションを用いて解析的結果を検証し、単純な位相シフトの整合により近似的最適な性能を達成できることを示すこと。

提案手法

• パイロットオーバーヘッド削減のため、低コストな最小分散乗数誤差（MMSE）チャネル推定器を提案する。
• 不完全なCSIおよびZFBF検出下での上行リンク実現可能レートの閉形式式を導出する。
• 合計レートおよび最小レートの最大化のため、2つの低コストなアルゴリズムを設計するために、主要化最小化（MM）フレームワークを採用する。
• MMアルゴリズムの各イテレーションでは、位相シフトおよびビームフォーマーの閉形式解が計算され、収束が保証される。
• 理論的解析では、行列摂動および二次形式表現を用いて、レートスケーリング則を確立する。
• シミュレーション結果を用いて、解析的導出を検証し、提案アルゴリズムの性能向上を示す。

Figure 1: Massive MIMO systems assisted by an RIS.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なCSI下でのZFBF検出を伴うRIS支援MIMOにおける実現可能レートの根本的スケーリング則は何か？
• RQ2 レートは、基地局アンテナ数 $M$ およびRIS素子数 $N$ に対してどのようにスケーリングするか？
• RQ3 RISの位相シフトを特定のユーザーに合わせることで、そのユーザーのレートを向上させることができるか？もしそうならば、どの程度向上するか？
• RQ4 RIS素子数 $N$ が増加する際、目標レートを維持するために必要な最小アンテナ数または送信パワーは何か？
• RQ5 単純な位相シフトの整合により、近似的最適な合計レート性能を達成できるか？

主な発見

• RISの位相シフト設計にかかわらず、すべてのユーザーの実現可能レートは少なくとも $\mathcal{O}(\log_2(MN))$ のスケーリングを示す。
• RISの位相シフトを1つのユーザーに合わせると、そのユーザーのレートは $\mathcal{O}(\log_2(MN^2))$ にスケーリング可能であり、顕著な性能向上が得られる。
• アンテナ数 $M$ または送信パワーを $N$ に反比例するように削減することで、特定のレートを維持可能となり、ハードウェアおよびエネルギーの節約が可能となる。
• 提案されたMMベースのアルゴリズムは、各イテレーションで閉形式解を得ており、計算コストが低く、収束が保証される。
• シミュレーション結果から、RISの位相シフトを任意の1つのユーザーに合わせることで、最大合計レートに非常に近い性能が達成されることが確認され、この戦略のロバスト性および簡便性が示された。
• 理論的導出はシミュレーションにより検証され、導出されたレート式およびスケーリング則の正確性が実証された。

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