[論文レビュー] mmWave Doubly-Massive-MIMO Communications Enhanced with an Intelligent Reflecting Surface

Dian‐Wu Yue, Ha H. Nguyen+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、スペクトル効率と信頼性を向上させるために、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を支援するmmWave二重大規模MIMOシステムを提案する。複数のIRSサブサーフェスを用い、大規模な受動的反射素子を備えることで、制御可能な伝搬経路の数がサブサーフェス数と等しくなり、各経路のSNRは反射素子数の2乗に比例して増加する。主な貢献は、パワー割り当て、先行符号化/コンビニング、およびIRS位相シフトの独立最適化であり、最小限のシグナリングオーバーヘッドで高いスペクトル効率を実現可能である。

ABSTRACT

As a means to control wireless propagation environments, the use of emerging and novel intelligent reflecting surfaces (IRS) is envisioned to enhance and broaden many applications in future wireless networks. This paper is concerned with a point-to-point IRS-assisted millimeter-wave (mmWave) system in which the IRS consists of multiple subsurfaces, each having the same number of passive reflecting elements, whereas both the transmitter and receiver are equipped with massive antenna arrays. Under the scenario of having very large numbers of antennas at both transmit and receive ends, the achievable rate of the system is derived. Furthermore, with the objective of maximizing the achievable rate, the paper presents optimal solutions of power allocation, precoding/combining, and IRS's phase shifts. Then it is shown that when the number of reflecting elements at each subsurface is very large, the number of favorable and controllable propagation paths provided by the IRS is simply equal to the number of subsurfaces while the received signal-to-noise ratio corresponding to each of the favorable paths increases quadratically with the number of reflecting elements. In addition, the problem of minimizing the transmit power subject to the rate constraint is analyzed for the scenario without direct paths in the pure LOS propagation. Finally, numerical results are provided to corroborate the obtained analysis.

研究の動機と目的

• mmWave通信における高い経路損失と遮蔽の脆弱性を解消するため、信号伝搬を強化するためにIRSを導入すること。
• 複数のサブサーフェスを有するIRSで強化された点対点mmWave二重大規模MIMOシステムにおける漸近的可達レートを分析すること。
• スペクトル効率を最大化することを目的として、パワー割り当て、先行符号化/コンビニング、およびIRS位相シフトの最適解を導出すること。
• 大規模なIRS展開が、純粋なLoS環境下での空間多重性とSNRスケーリングに与える影響を調査すること。
• 直接LoSリンクが無視できる状況下で、レート制約を満たすために最小限の送信パワーを達成するため、IRS構成を最適化すること。

提案手法

• mmWave伝搬に対してクラスタ型統計的チャネルモデルを採用し、複数のIRSサブサーフェスを有する。各サブサーフェスは同一の受動的反射素子数を有する。
• 非常に大きな送信および受信アレイアンテナ数を仮定した下で漸近的解析を実施し、可達レートの閉形式表現を導出可能となる。
• 凸最適化を用いてパワー割り当て、先行符号化/コンビニング、およびIRS位相シフトを独立して最適化し、共同設計の複雑さを回避する。
• 解析により、各サブサーフェスの反射素子数が非常に大きい場合、有利な伝搬経路数がサブサーフェス数と等しくなることが示された。
• 直接パスが存在しない純粋なLoS環境下では、等価パワー割り当てと最適なサブサーフェス数選択の下で最小送信パワーを導出する。
• 数値シミュレーションにより、解析結果の妥当性を検証した。具体的には、反射素子数に伴うSNRスケーリングと、IRSサイズおよびサブアレイ数の増加に伴うレート性能向上を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のサブサーフェスを有するIRSで強化された二重大規模MIMOシステムにおける可達レートは、どのようにスケーリングされるか？
• RQ2 パワー割り当て、先行符号化/コンビニング、およびIRS位相シフトの最適解は、共同最適化を避けても独立して導出可能か？
• RQ3 反射素子数が非常に大きい場合、有利な伝搬経路数とIRSサブサーフェス数の関係は何か？
• RQ4 各サブサーフェスの反射素子数が増加するに従い、受信SNRはどのようにスケーリングされるか？
• RQ5 直接LoSリンクが存在せず、IRSがチャネルを支配する状況下で、目標レートを満たすために必要な最小送信パワーは何か？

主な発見

• 各サブサーフェスに非常に大きな数の反射素子が存在する場合、IRSが提供する有利な伝搬経路数はサブサーフェス数に等しい。
• 各有利な経路における受信SNRは、各サブサーフェスの反射素子数の2乗に比例して増加する。
• 最適なパワー割り当て、先行符号化/コンビニング、およびIRS位相シフトは独立して計算可能であり、システム設計を簡素化し、シグナリングオーバーヘッドを低減できる。
• 反射素子総数が固定されている場合、最適なサブサーフェス数は総素子数が1000のとき約5であり、経路ダイバーシティとSNRゲインのバランスが取れる。
• 1000個の反射素子と100個のサブサーフェスを有する場合、$N_t = 64$ および $N_r = 36$ の条件下で、IRSを有するシステムの可達和レートは、IRSなしのシステムの約2倍に達する。
• 反射素子数がサブサーフェスあたり増加するに従い、必要な送信パワーは$1/N^2$に比例して線形に減少し、固定レート下で$N=10$から$N=100$に変化させると20 dBの低下が見込まれる。