[論文レビュー] Large Intelligent Surface-Based Index Modulation: A New Beyond MIMO Paradigm for 6G

Ertuğrul Başar|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 34

ひとこと要約

本稿では、6Gシステムにおけるスペクトル効率および信頼性の向上を目的として、大型知能表面（LIS）を用いた新しいインデックスモデュレーション方式、LIS-SSKおよびLIS-SMを提案する。受信アンテナインデックスにおける知能反射とインデックスモデュレーションを統合することで、高いスペクトル効率と超信頼性通信を実現し、最適および準最適検出法、および理論的ビット誤り率解析によって検証されている。

ABSTRACT

Transmission through large intelligent surfaces (LIS), which modify the phases of incident waves in a deliberate manner to enhance the signal quality at the receiver, has been recently put forward as a promising candidate for future wireless communication systems and standards. In this paper, we bring the concept of LIS-assisted communications to the realm of index modulation (IM) by proposing LIS-space shift keying (LIS-SSK) and LIS-spatial modulation (LIS-SM) schemes. These two schemes are realized through not only intelligent reflection of the incoming electromagnetic waves to improve the signal quality at the receiver but also utilization of the IM principle for the indices of multiple receive antennas in a clever way to improve the spectral efficiency. Maximum energy-based suboptimal (greedy) and exhaustive search-based optimal (maximum likelihood) detectors of the LIS-SSK/SM schemes are formulated and a unified framework is presented for the derivation of the theoretical average bit error probability of the proposed schemes using both detectors. Extensive computer simulation results are provided to assess the potential of LIS-assisted IM schemes as well as to verify our theoretical derivations and remarks. Our findings also reveal that LIS-based IM, which enables ultra-reliable transmission with high spectral efficiency, can become a potential candidate for future wireless communication systems in the context of beyond massive multiple-input multiple-output (MIMO) solutions.

研究の動機と目的

• 将来の6G無線システムにおける、大規模MIMOを超えるスペクトル効率および信頼性の向上の必要性に対処すること。
• 従来のMIMOおよびインデックスモデュレーションの限界を克服するため、インデックスモデュレーションに大型知能表面（LIS）を統合すること。
• 波面制御とアンテナインデックス選択の両方を活用する、LIS支援型インデックスモデュレーション方式としての新規なLIS-SSKおよびLIS-SMを提案すること。
• 提案された方式の最適（最大尤度）および準最適（最大エネルギーに基づくグリーディ）検出技術を開発すること。
• 両検出手法下でのLIS-SSKおよびLIS-SMの平均ビット誤り確率を統一的に記述する理論的枠組みを導出すること。

提案手法

• 大型知能表面（LIS）による知能反射と複数の受信アンテナインデックスにおけるインデックスモデュレーションを統合した、LIS-SSKおよびLIS-SMという新しい変調方式を提案する。
• LISにおける知能位相シフトを用いて、受信側での信号を指向性に制御・強化することで、信号対雑音比（SNR）と信頼性を向上させる。
• アクティブな受信アンテナのインデックスを情報符号として用いることで、帯域を拡大せずにスペクトル効率を向上させる。
• 低複雑性検出を実現するため、受信信号エネルギーが最大となるアンテナインデックスを選択する最大エネルギーに基づく準最適検出器を設計する。
• すべての可能なアンテナインデックス組み合わせを評価することでビット誤り確率を最小化する、全探索型最適検出器を構築する。
• 両検出手法を用いたLIS-SSKおよびLIS-SMの平均ビット誤り確率を統一的に記述する理論的式を導出することで、性能評価と比較が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大型知能表面（LIS）をインデックスモデュレーションに統合することで、6Gシステムにおけるスペクトル効率をどのように向上させられるか？
• RQ2 LIS-SSKおよびLIS-SMは、従来のMIMOおよびインデックスモデュレーション方式に比べて、どのような性能向上を示すか？
• RQ3 最適および準最適検出技術は、LISベースのインデックスモデュレーションのビット誤り率と複雑性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 統一された理論的枠組みは、両検出戦略下でのLIS-SSKおよびLIS-SMの平均ビット誤り確率を正確にモデル化できるか？
• RQ5 LIS支援型インデックスモデュレーションは、将来の無線ネットワークにおける大規模MIMOを超えるソリューションとして、どのような可能性を秘めているか？

主な発見

• LIS-SSKおよびLIS-SMは、知能反射とアンテナインデックス選択の両方を活用することで、帯域を拡大せずに高スペクトル効率を実現する。
• LISにおける知能位相制御による信号品質の向上のおかげで、提案方式は超信頼性通信を実現する。
• 理論的解析により導出された平均ビット誤り確率の式の正確性が、広範なコンピュータシミュレーションによって検証された。
• 準最適な最大エネルギーベース検出器は、性能と複雑性の良好なトレードオフを実現し、最適な最大尤度検出器の性能に近づく。
• シミュレーション結果から、LISベースのインデックスモデュレーションは、従来のMIMOおよびインデックスモデュレーションよりもスペクトル効率および信頼性において優れていることが確認された。
• 統一されたフレームワークにより、異なる検出戦略下でのLIS-SSKおよびLIS-SMの性能評価と比較が一貫して可能となった。