[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface-Assisted Massive MIMO: Favorable Propagation, Channel Hardening, and Rank Deficiency

Trinh Van Chien, Hien Quoc Ngo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知的表面（RIS）を支援する massive MIMO システムにおける基本的なチャネル特性—好都合な伝搬、チャネル硬化、ランク不足—を調査する。直接リンクと間接リンクによって形成される集約チャネルを分析することで、RISが空間多重性とランク不足を向上させるが、特に有限配列を用いた場合、レイノルズフェーディング下で従来の massive MIMO と比較してチャネル硬化が劣化する可能性がある、閉形式の決定的指標を導出する。

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) and reconfigurable intelligent surface (RIS) are two promising technologies for 5G-and-beyond wireless networks, capable of providing large array gain and multiuser spatial multiplexing. Without requiring additional frequency bands, those technologies offer significant improvements in both spectral and energy efficiency by simultaneously serving many users. The performance analysis of an RIS-assisted Massive MIMO system as a function of the channel statistics relies heavily on fundamental properties including favorable propagation, channel hardening, and rank deficiency. The coexistence of both direct and indirect links results in aggregated channels, whose properties are the main concerns of this lecture note. For practical systems with a finite number of antennas and scattering elements of the RIS, we evaluate the corresponding deterministic metrics with Rayleigh fading channels as a typical example.

研究の動機と目的

• RIS が massive MIMO システムにおける基本的チャネル特性に与える影響を分析すること。
• 直接リンクと間接リンクの共存が、チャネル硬化とランク不足に与える影響を定量化すること。
• RIS支援システムにおける好都合な伝搬、チャネル硬化、ランク不足のための決定的指標を導出すること。
• 有限だが大きなアンテナ数および RIS 要素数を想定したレイノルズフェーディング下でのシステム性能を評価すること。
• 耐障害性およびエネルギー効率の高い RIS 支援 massive MIMO システムの設計インサイトを提供すること。

提案手法

• 基地局に M 個のアンテナ、RIS に N 個の位相シフト素子を有する RIS 支援 massive MIMO システムをモデル化する。
• 集約チャネルベクトルを直接リンクと RIS 反射リンクの和として定義する：$\mathbf{z}_k = \mathbf{u}_k + \mathbf{H}\mathbf{\Phi}\mathbf{g}_k$。
• 確率的行列理論を用いて、チャネル硬化、好都合な伝搬、ランク不足のための決定的同等物を導出する。
• チャネル硬化を定量化するための閉形式表現（例：$\mathsf{CH}_k = \mathbb{E}[|\mathbf{z}_k^H \mathbf{z}_k|^2] / \mathbb{E}[|\mathbf{z}_k^H \mathbf{z}_k|]^2$）を計算する。
• 基地局-RIS（$\mathbf{H}$）、RIS-ユーザー（$\mathbf{g}_k$）、直接リンク（$\mathbf{u}_k$）チャネルにレイノルズフェーディングを適用し、統計的性質を評価する。
• $M, N \to \infty$ の漸近的挙動を分析し、固定比率のもとで $(M+N)/(MN)$ 比例の収束速度を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIS の存在が massive MIMO システムにおけるチャネル硬化特性にどのように影響するか？
• RQ2 RIS は集約チャネルにおける好都合な伝搬とランク不足をどの程度改善するか？
• RQ3 有限配列を用いた RIS 支援 massive MIMO において、主要なチャネル特性のための閉形式決定的指標を導出可能か？
• RQ4 位相シフト係数とアレイ寸法はチャネル統計にどのように影響するか？
• RQ5 間接リンクは全体のチャネル共分散構造とシステム性能にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• チャネル硬化指標 $\mathsf{CH}_k$ は $M,N \to \infty$ の下でゼロに収束するが、収束速度は $(M+N)/(MN)$ 比例であるため、RIS を用いることで硬化が遅延する。
• RIS 支援システムは好都合な伝搬とチャネルスパarsity を維持するが、レイノルズフェーディング下では従来の massive MIMO より性能が劣る。
• 特に 100 個の基地局アンテナを有する場合、RIS の支援により共分散行列 $\mathbb{E}[\mathbf{h}_k\mathbf{h}_k^H]$ のランクが顕著に増加し、ランク不足が緩和される。
• チャネル硬化の閉形式表現は位相シフト係数に依存しないため、相関のないレイノルズフェーディング下では統計的制御によるスマート環境制御が不可能である。
• 数値結果は、間接リンクがチャネル硬化を劣化させるが、ランクとダイバーシティの増加により空間多重性ゲインを高めることを確認している。
• 導出された決定的指標は任意の有限 $M$ および $N$ に対して有効であり、実用的なシステム設計および最適化を可能にする。