[論文レビュー] Performance Analysis of Large Intelligence Surfaces (LISs): Asymptotic Data Rate and Channel Hardening Effects

Minchae Jung, Walid Saad+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、チャネル推定誤差および空間相関Rician fadingを伴う実用的無線環境における大型知能表面（LIS）の上行リンクデータレート性能を分析する。漸近的平均レートを導出することで、LISのアンテナ数が増加するに従い、推定誤差に起因するノイズおよび干渉、および視線外経路の影響が無視可能になることが示され、LISはハードウェアの占める面積を削減しつつも、大規模MIMOと同等の性能を達成できることを示している。

ABSTRACT

The concept of a large intelligent surface (LIS) has recently emerged as a promising wireless communication paradigm that can exploit the entire surface of man-made structures for transmitting and receiving information. An LIS is expected to go beyond massive multiple-input multiple-output (MIMO) system, insofar as the desired channel can be modeled as a perfect line-of-sight. To understand the fundamental performance benefits, it is imperative to analyze its achievable data rate, under practical LIS environments and limitations. In this paper, an asymptotic analysis of the uplink data rate in an LIS-based large antenna-array system is presented. In particular, the asymptotic LIS rate is derived in a practical wireless environment where the estimated channel on LIS is subject to estimation errors and interference channels are spatially correlated Rician fading channels. Moreover, the occurrence of the channel hardening effect is analyzed and the performance bound is asymptotically derived for the considered LIS system. The analytical asymptotic results are then shown to be in close agreement with the exact mutual information as the numbers of antennas and devices increases without bounds. Moreover, the derived ergodic rates show that noise and interference from estimation errors and the non-line-of-sight path become negligible as the number of antennas increases. Simulation results show that an LIS can achieve a performance that is comparable to conventional massive MIMO with improved reliability and a significantly reduced area for antenna deployment.

研究の動機と目的

• 実用的無線環境におけるリアルなチャネル劣化を伴うLISベースのシステムの漸近的上行リンクデータレートを分析すること。
• チャネル推定誤差および空間相関Rician fadingがLIS性能に与える影響を調査すること。
• LISシステムにおけるチャネル硬化の発生とその意味を検討すること。
• 大規模展開におけるLISの根本的限界を特徴付ける性能バウンドを導出すること。
• 漸近的解析を正確な相互情報量と比較し、システム次元が増大するに従い収束するかを検証すること。

提案手法

• 不完全なチャネル状態情報と空間相関Rician fadingを想定したLISベースの上行リンクシステムの漸近的エルゴディックレートを導出する。
• LISチャネルを視線路優勢な伝搬モデルとしてモデル化し、加法的推定誤差および視線外成分を含める。
• ランダム行列理論を用いて、LIS素子数およびユーザー端末数が無限大に近づく際のシステムの漸近的挙動を分析する。
• 大規模アンテナアレイ下での実現可能レートの分散を検討することで、チャネル硬化効果を特徴付ける。
• 漸近的レートが正確な相互情報量にどの程度収束するかを定量化する性能バウンドを導出する。
• 有限サイズのシステムについて漸近的レートと正確な相互情報量を比較するシミュレーションを通じて、解析結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャネル推定誤差は、LISシステムにおける漸近的上行リンクデータレートにどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 空間相関Rician fadingは、LISベースのシステムにおける実現可能レートおよびチャネル硬化にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 LIS素子数が増加するに従い、視線外干渉および推定ノイズはどの程度小さくなるか？
• RQ4 大規模LIS展開において、漸近的エルゴディックレートは正確な相互情報量にどのように収束するか？
• RQ5 LISは、展開面積を削減しつつも、従来の大規模MIMOと同等の性能を達成できるか？

主な発見

• 本稿で導出した漸近的エルゴディックレートは、LIS素子数およびユーザー端末数が増加するに従い、正確な相互情報量と非常に近くなる。
• 推定誤差に起因するノイズおよび干渉、視線外経路の影響が漸近的領域では無視可能になることが示され、性能スケーリングのロバスト性が裏付けられる。
• LISシステムではチャネル硬化が発生し、アンテナ数が増加するに従い、実現可能レートが非常に予測可能かつ安定するようになる。
• LISシステムに導出した性能バウンドは、大規模展開における実際のシステム容量をタイトに近似する。
• シミュレーション結果から、LISは従来の大規模MIMOと同等の性能を達成するが、ハードウェアの占める面積が著しく削減され、信頼性が向上していることが確認された。
• 特に高次元領域において、推定誤差や相関 fading といった実用的劣化要因に対しても、システムは強く耐性を持つことが示された。