[論文レビュー] Performance Analysis of Active Large Intelligent Surfaces (LISs): Uplink Spectral Efficiency and Pilot Training

Minchae Jung, Walid Saad+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 48被引用数 35

ひとこと要約

本論文は、実用的なアップリンクフレーム構成（パイロット訓練を含む）下でのアクティブ LIS システムのアップリンクスペクトル効率を分析し、単一およびマルチ-LIS設定におけるパイロット汚染の下での漸近的 SSE の境界と最適パイロット長を導出する。

ABSTRACT

Large intelligent surfaces (LISs) constitute a new and promising wireless communication paradigm that relies on the integration of a massive number of antenna elements over the entire surfaces of man-made structures. The LIS concept provides many advantages, such as the capability to provide reliable and space-intensive communications by effectively establishing line-of-sight (LOS) channels. In this paper, the system spectral efficiency (SSE) of an uplink LIS system is asymptotically analyzed under a practical LIS environment with a well-defined uplink frame structure. In order to verify the impact on the SSE of pilot contamination, the SSE of a multi-LIS system is asymptotically studied and a theoretical bound on its performance is derived. Given this performance bound, an optimal pilot training length for multi-LIS systems subjected to pilot contamination is characterized and, subsequently, the performance-maximizing number of devices that the LIS system must service is derived. Simulation results show that the derived analyses are in close agreement with the exact mutual information in presence of a large number of antennas, and the achievable SSE is limited by the effect of pilot contamination and intra/inter-LIS interference through the LOS path, even if the LIS is equipped with an infinite number of antennas. Additionally, the SSE obtained with the proposed pilot training length and number of scheduled devices is shown to reach the one obtained via a brute-force search for the optimal solution.

研究の動機と目的

• アクティブサーフェスを用いた近接場・空間密集通信のパラダイムとして LIS を動機づける。
• 実用的な3GPP風フレーム構造を持つアクティブLIS のアップリンク SSE フレームワークを構築する。
• マルチ-LIS展開におけるパイロット汚染の影響を特徴づける。
• SSE を最大化する最適なパイロット訓練長とスケジューリング戦略を導出する。
• 多数の LIS アンテナが増加した場合の SSE のスケーリングについて洞察を提供する。

提案手法

• N 個の LIS、LIS ごとに K 台のデバイス、LIS ユニットあたり M 台のアンテナを有するアップリンク LIS システムをモデル化する。
• 目的リンクには LOS が支配的な LIS チャネルモデルを用い、LIS 間干渉には Rician/NLOS モデルを、空間相関を考慮する。
• t パイロット符号、T-t データ符号を持つ3GPP風のアップリンクフレームを採用し、パイロット汚染分析のためにLSチャネル推定を用いる。
• LS CSI と MF受信を前提としたSINR の式を導出し、LIS 内外の干渉と推定誤差を組み込む。
• M → ∞ のときに漸近的 SSE 分析を行い、決定論的な性能境界とスケーリング則を得る。
• SSE を最大化する最適なパイロット訓練長と各 LIS でスケジュールするデバイスの最適数を決定する方法を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的なフレーム構造とパイロット訓練および汚染を考慮した場合、アクティブ LIS のアップリンクスペクトル効率はどのように振る舞うか？
• RQ2 単一およびマルチ-LIS設定で LIS アンテナ数が大きくなるとき、SSE を表す境界とスケーリング則は何か？
• RQ3 パイロット汚染とLIS間干渉を考慮したとき、SSE を最大化する最適なパイロット訓練長は何か？
• RQ4 マルチ-LIS環境で SSE を最大化するために、デバイスを LIS ユニット間でどのようにスケジュールすべきか？

主な発見

• 大規模アンテナ極限で SSE は決定論的に近似でき、パイロット汚染と LOS/LIS間干渉の影響を受ける。
• パイロット汚染はマルチ-LISシステムの主要な制限要因であり、無限個の LIS アンテナがあっても LOS 経路による LIS間干渉のために依然として制約となる。
• 最適なパイロット訓練長が存在し、M が無限大に近づくと LIS 面積内のデバイス数へ収束する。
• 提案された LS ベースのチャネル推定と MF受信機は、検討条件下で brute-force 最適解に近い SSE をもたらす。
• シミュレーション結果は、導出された動作パラメータ（パイロット長とスケジュールされたデバイス）が、単一およびマルチ-LIS シナリオにおいて正確な最適化と同等の最大 SSE を達成することを示している。