[論文レビュー] Spectral and Energy Efficiency of IRS-Assisted MISO Communication with Hardware Impairments

Shaoqing Zhou, Wei Xu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2020

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

ひとこと要約

本稿は、RFインピーダンスと位相ノイズを含むハードウェアインパルメントを伴うIRS支援MISO下行リンクシステムにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率を分析している。APにおけるRFインパルメントは拡張誤差ベクタメガネスチビュール（EEVM）を用いてモデル化され、IRSにおける位相ノイズも同様にモデル化されている。本稿では、無限大のAPアンテナ数およびIRS要素数を有しても、スペクトル効率がハードウェアインパルメントによって根本的に制限されることを示しており、エネルギー効率最大化のための閉形式で表された最適送信パワーを導出している。この最適送信パワーは、RFインパルメントが深刻になるほど増加する。

ABSTRACT

In this letter, we analyze the spectral and energy efficiency of an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted multiple-input single-output (MISO) downlink system with hardware impairments. An extended error vector magnitude (EEVM) model is utilized to characterize the impact of radio-frequency (RF) impairments at the access point (AP) and phase noise is considered for the imperfect IRS. We show that the spectral efficiency is limited due to the hardware impairments even when the numbers of AP antennas and IRS elements grow infinitely large, which is in contrast with the conventional case with ideal hardware. Moreover, the performance degradation at high SNR is shown to be mainly affected by the AP hardware impairments rather than the phase noise of IRS. We further obtain the optimal transmit power in closed form for energy efficiency maximization. Simulation results are provided to verify these results.

研究の動機と目的

• IRS支援MISO下行リンクシステムにおけるハードウェアインパルメントがスペクトル効率およびエネルギー効率に与える影響を分析すること。
• RFインパルメントをEEVMでモデル化し、APにおける非理想的な特性とIRSにおける位相ノイズを現実的かつ包括的にモデル化すること。
• ハードウェアインパルメント下でのスペクトル効率およびエネルギー効率最大化のための最適送信パワーの閉形式表現を導出すること。
• APアンテナ数およびIRS要素数が増加しても、性能向上がハードウェアインパルメントの影響で飽和することを示すこと。

提案手法

• M本のアンテナを備えたアクセスポイント（AP）と単一アンテナユーザーを有する、N要素の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IRS支援MISO下行リンクシステムをモデル化する。
• APにおけるRFインパルメントとIRSにおける位相ノイズを、拡張誤差ベクタメガネスチビュール（EEVM）モデルを用いて特徴付ける。
• 非理想ハードウェア下での下り行スペクトル効率の理論的表現を、APおよびIRS両方のインパルメントを組み込んで導出する。
• 強大数法則および連続写像定理を用いて、MおよびNが非常に大きくなる際の漸近的スペクトル効率を分析する。
• ラマヌジャン・ウインター関数（Lambert W関数）を用いて、エネルギー効率最大化のための最適送信パワーの閉形式解を導出する。
• さまざまなハードウェアインパルメントレベルおよびSNR領域におけるシミュレーションを通じて、解析結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 APおよびIRSにおけるハードウェアインパルメントは、IRS支援MISOシステムのスペクトル効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ハードウェアインパルメントが存在する状況下で、APアンテナ数およびIRS要素数を増加させてもスペクトル効率は継続的に向上するのか？
• RQ3 高SNR領域におけるIRSにおける位相ノイズのシステム性能への影響は何か？
• RQ4 エネルギー効率最大化のための最適送信パワーは、APにおけるRFインパルメントの程度にどのように依存するか？
• RQ5 ハードウェアインパルメント下でエネルギー効率を最大化する最適送信パワーについて、閉形式の表現を導出できるか？

主な発見

• APアンテナ数およびIRS要素数が無限大に達しても、スペクトル効率はハードウェアインパルメントによって根本的に制限される。これは理想ハードウェアの場合とは対照的である。
• 高SNR領域における性能劣化は、主にAPにおけるRFインパルメントに起因しており、IRSにおける位相ノイズの影響は小さい。
• 高SNR領域では、位相ノイズのスペクトル効率への影響が小さくなり、無視できるほどになる。
• エネルギー効率最大化のための最適送信パワーは、APにおけるRFインパルメントの深刻さが増すほど増加する。
• 導出された最適送信パワーの閉形式解は、シミュレーション結果と完全に一致しており、ラマヌジャン・ウインター関数（Lambert W関数）を用いて表現されている。
• 静的ハードウェア消費電力が連続位相IRSにおいて高いことから、理想ハードウェアケースがエネルギー効率において非理想ケースを上回る可能性があり、現実的なモデル化の重要性を示している。