[論文レビュー] MIMO Detection for Reconfigurable Intelligent Surface-Assisted Millimeter Wave Systems

Xi Yang, Chao-Kai Wen+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 46被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、低精度のADCと離散位相シフトRISアレイを用いた再構成可能インテリジェント表面（RIS）支援型ミリ波（mmWave）MIMOシステムを提案し、空間的ダイバーシティおよびスペクトル効率を向上させる。線形空間処理と特化したMIMO検出器を活用することで、3ビットADCおよび2ビットRIS位相シフトでもロバストな性能を達成し、理想的なハードウェアと比較して僅かな性能劣化にとどまる。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) band, or high frequencies such as THz, has large undeveloped band of spectrum. However, wireless channels over the mmWave band usually have one or two paths only due to the severe attenuation. The channel property restricts its development in the multiple-input multiple-output (MIMO) system, which can improve throughput by increasing the spectral efficiency. Recent development in reconfigurable intelligent surface (RIS) provides new opportunities to mmWave communications. In this study, we propose a mmWave system, which used low-precision analog-to-digital converters (ADCs), with the aid of several RIS arrays. Moreover, each RIS array has many reflectors with discrete phase shift. By employing the linear spatial processing, these arrays form a synthetic channel with increased spatial diversity and power gain, which can support MIMO transmission. We develop a MIMO detector according to the characteristics of the synthetic channel. RIS arrays can provide spatial diversity to support MIMO transmission, however, different number, antenna configuration, and deployment of RIS arrays affect the bit error rate (BER) performance. We present state evolution (SE) equations to evaluate the BER of the proposed MIMO detector in the different cases. The BER performance of indoor system is studied extensively through leveraging by the SE equations. We reveal numerous insights about the RIS effects and discuss the appropriate system settings. In addition, our results demonstrate that the low-cost hardware, such as the 3-bit ADCs of the receiver side and the 2-bit uniform discrete phase shift of the RIS arrays, only moderately degenerate the system performance.

研究の動機と目的

• スパarsely散乱環境による空間的ダイバーシティの制限および高いパスロスの問題を解決するため。
• コストおよびエネルギー効率性を高めるために、低精度ハードウェア（3ビットADC、2ビットRIS位相シフト）をRIS支援型mmWaveシステムに統合する可能性を検討するため。
• RISアレイが形成する合成チャネルに特化したMIMO検出方式を設計し、ビット誤り率（BER）性能を最適化するため。
• RISアレイの数、構成および配置がシステムBERに与える影響を、状態推定（SE）方程式を用いて分析するため。

提案手法

• 複数のRISアレイを用いた離散位相シフト反射素子で強化されたmmWave MIMOシステムを提案し、空間的ダイバーシティおよびパスゲインを向上させる合成チャネルを形成する。
• 受信機で線形空間処理を実施し、複数のRIS支援パスからの信号を統合し、仮想MIMOチャネルを形成する。
• RISに起因する位相シフトおよびパスゲインを考慮した、合成チャネル構造に特化したMIMO検出器を開発する。
• 異なるRIS構成およびハードウェア精度レベルにおけるBER性能を解析的に評価するため、状態推定（SE）方程式を導出する。
• トレーサブルなMMSE推定およびBER予測を可能にするために、対数尤度比（LLR）分布のガウス近似を採用する。
• SEに基づく性能評価の正確性を保証するため、シミュレーション結果と一致するようにノイズ精度を補正するBERマッチングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISアレイの数および構成は、mmWave MIMOシステムにおけるBER性能にどのように影響するか？
• RQ2 低精度ADC（例：3ビット）および低分解能RIS位相シフト（例：2ビット）は、システム性能をどの程度劣化させるか？
• RQ3 RISアレイは、散乱が乏しいmmWave帯域において、MIMO伝送を支援するための空間的ダイバーシティを効果的に提供できるか？
• RQ4 さまざまなRIS展開およびハードウェア制約下で、状態推定（SE）方程式はBER性能をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 性能とハードウェアコストのバランスを最適化するための最適なシステム設定（例：RISアレイ数、位相シフト分解能）は何か？

主な発見

• 提案されたRIS支援型mmWave MIMOシステムは、複数のRISアレイによる合成チャネル形成によって顕著な空間的ダイバーシティおよびパスゲインを達成する。
• 3ビットADCおよび2ビットRIS位相シフトを用いても、完全精度の対応物と比較して僅かな性能劣化にとどまる。
• 状態推定（SE）方程式は、さまざまなRIS構成においてBER性能を正確に予測でき、システム設計最適化を可能にする。
• BER性能はRISアレイ数および配置ジオメトリに強く依存しており、アレイ数の増加によりダイバーシティゲインが向上する。
• LLR分布のガウス近似により、正確なMMSE推定およびBER予測が可能となり、シミュレーション結果とのBERマッチングで妥当性が検証された。
• 低分解能ハードウェア下でもロバストな性能を発揮するため、コスト効率の高いmmWave展開に強く有望である。