[論文レビュー] Single-RF MIMO: From Spatial Modulation to Metasurface-Based Modulation

Li, Qiang, Miaowen Wen+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、従来の空間変調を再構成可能知能表面（RIS）ベースの変調に置き換えることで、高いスペクトル効率およびエネルギー効率を達成する、新規のシングルRF MIMOアーキテクチャを提案する。RIS素子のインデックスまたは受信アンテナのインデックスを情報伝送に活用することで、複数のRFチェーンや高速RFスイッチの必要性が排除され、信頼性が著しく向上し、ハードウェアの複雑さが低減される。特に、RIS-RSM/RQSMは、選択された受信アンテナにおける beamforming ゲインのおかげで、優れたBER性能を示す。

ABSTRACT

In multiple-input multiple-output (MIMO), multiple radio frequency (RF) chains are usually required to simultaneously transmit multiple data streams. As a special MIMO technology, spatial modulation (SM) activates one transmit antenna with one RF chain and exploits the index of the active antenna for information transfer at each time slot. Recently, reconfigurable metasurfaces have emerged as a promising technology that is able to reconfigure the wireless propagation environment by altering the amplitude and/or phase of the incident signal. In this article, we aim for the implementation of single-RF MIMO by shifting the focus from SM to metasurface-based modulation. Specifically, the principles of SM and metasurfaces are first presented. After reviewing the evolution of SM, we elaborate on the idea of metasurface-aided single-RF MIMO and discuss some implementations for it in line with notable variants of SM. A comparison between antenna-based and metasurface-based modulation is made to highlight the advantages of using metasurfaces. We finally investigate the research challenges and opportunities in the context of metasurface-based modulation.

研究の動機と目的

• 各送信アンテナに複数のRFチェーンを必要とする従来のMIMOシステムの高いハードウェア複雑さと消費電力の問題に対処すること。
• 空間変調（SM）およびその変種の制限、例えば高速RFスイッチへの依存や、アンテナ相関または悪化したチャネル状態による性能劣化を克服すること。
• 再構成可能知能表面（RIS）が、無線伝搬環境を制御できる能力を活かして、シングルRF MIMOの新たなパラダイムとしての可能性を調査すること。
• RISベースの変調と従来のアンテナベースのSMを比較し、スペクトル効率、エネルギー効率、およびビット誤り率（BER）の観点から性能のトレードオフを評価すること。
• RISベースのシングルRF変調における主な研究課題および未解決問題、例えばハイブリッド変調、素子グループ化、および微分検出の特定

提案手法

• 本稿では、RIS素子、受信アンテナ、または信号経路のインデックスを用いて空間情報を伝送する6つのRISベースの変調パラダイム（RIS-SM, RIS-GSM, RIS-QSM, RIS-RSM, RIS-RQSM, RIS-MIMO）を導入する。
• 各方式では、送信側に1つのRFチェーンを用い、RIS素子の反射係数を制御して、特定の受信アンテナ方向にビームを形成するか、アクティブなRIS素子インデックスにデータを符号化する。
• RIS-RSM/RQSMでは、信号パワーを特定の受信アンテナに最大限に高めるビームフォーミングが適用され、空間インデックス検出の信頼性が向上する。
• RIS-GSM/QSMでは、RISがグループに分割され、グループインデックスがデータを搬送する。各グループに対してビームフォーミングが適用され、信号強度が強化される。
• 信号対インターーフェアレンス＋ノイズ比（SINR）を向上させるために、ビームフォーミングと位相シフト最適化が組み込まれ、性能はビット誤り率（BER）解析を用いて評価される。
• 本稿では、RISベースの方式と従来のSMおよびMBMを比較し、ハードウェア複雑さの低減とチャネル状態へのロバストネスの向上という点で優位性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再構成可能知能表面（RIS）をどのように活用すれば、複数のRFチェーンや高速RFスイッチを必要とせずにシングルRF MIMOを実現できるか？
• RQ2 スペクトル効率、エネルギー効率、およびビット誤り率（BER）の観点から、RISベースの変調と従来の空間変調の間で性能のトレードオフはどのようなものか？
• RQ3 RIS素子インデックスまたは受信アンテナインデックスを情報伝送に用いることで、システムの信頼性および実装の複雑さにどのような影響が生じるか？
• RQ4 素子グループ化、選択、チャネル推定などのRISベースの変調における主な設計課題は何か。それらはどのように解決できるか？
• RQ5 ハイブリッドまたは微分変調方式は、RISベースのシステムに効果的に適用可能であり、CSI要件を低減して性能を向上させることができるか？

主な発見

• RIS-RSMおよびRIS-RQSMは、選択された受信アンテナに集中したビームフォーミングのおかげで、RIS-GSMおよびRIS-QSMよりも顕著に低いビット誤り率（BER）を達成する。
• RISベースの変調は、従来のSMで使用される高速RFスイッチの必要性を排除し、ハードウェア複雑さと消費電力を低減する。
• 情報伝送にRIS素子を用いることで、1つのRFチェーンを持つ送信機が完全なビームフォーミングゲインを得られ、スペクトル効率が向上し、チャネルフェージングに強い。
• RIS-MIMOおよびRIS-GSMは、RIS素子をグループ化し、グループインデックスをデータ変調に使用することで高いスペクトル効率を達成する。性能はグループサイズと相関に依存する。
• RISベースの方式は、従来のSMよりも散乱が弱い環境に強く、伝搬チャネルを能動的に整形することで信号品質を向上できる。
• ハイブリッド変調（例：RIS-GSMとRIS-MIMOの組み合わせ）の実現可能性が示され、スペクトル効率とBER性能の間のトレードオフを提供する。