[論文レビュー] The Potential of Using Large Antenna Arrays on Intelligent Surfaces

Sha Hu, Fredrik Rusek+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、無線通信における大規模知能表面を大規模アレイアンテナとしての利用を調査し、単位面積あたりの送信電力が固定されている場合、波長λ→0のとき、正規化されたスループットはP̄/(2N₀)に近づくことを示している。1次元ではλあたり2/λの信号次元、2次元／3次元ではλ²あたりπ/λ²の信号次元が得られ、高スペクトル効率と高ユーザー密度下でも高い耐障害性を示すことが明らかになった。

ABSTRACT

In this paper, we consider capacities of single-antenna terminals communicating to large antenna arrays that are deployed on surfaces. That is, the entire surface is used as an intelligent receiving antenna array. Under the condition that the surface area is sufficiently large, the received signal after matched-filtering (MF) can be well approximated by an intersymbol interference (ISI) channel where channel taps are closely related to a sinc function. Based on such an approximation, we have derived the capacities for both one-dimensional (terminals on a line) and high dimensional (terminals on a plane or in a cube) terminal-deployments. In particular, we analyze the normalized capacity $\bar{\mathcal{C}}$, measured in nats/s/Hz/m$^2$, under the constraint that the transmit power per m$^2$, $\bar{P}$, is fixed. We show that when the user-density increases, the limit of $\bar{\mathcal{C}}$, achieved as the wavelength $λ$ approaches 0, is $\bar{P}/(2N_0)$ nats/s/Hz/m$^2$, where $N_0$ is the spatial power spectral density (PSD) of noise. In addition, we also show that the number of signal dimensions is $2/λ$ per meter deployed surface for the one-dimensional case, and $π/λ^2$ per m$^2$ deployed surface for two and three dimensional terminal-deployments.

研究の動機と目的

• 知能表面が大規模受信アレイアンテナとして機能する際の情報伝送容量を分析すること。
• 単位面積あたりの送信電力が固定されている場合のスペクトル効率の根本的限界を特定すること。
• 1次元、2次元、3次元の端末配置における空間多重化に利用可能な独立信号次元の数を定量化すること。
• ユーザー密度が増加する状況下でのマッチドフィルタリングと最適検出の性能を評価すること。

提案手法

• 端末が等方放射を行う自由空間の視線伝搬を仮定し、大規模な平面状の受信信号をモデル化する。
• マッチドフィルタリング（MF）を用いて信号を抽出し、有効チャネルをsinc関数で近似した符号間干渉（ISI）チャネルとしてモデル化する。
• 統計的信号処理とスペクトル効率解析を用いて、1次元（直線型）および2次元／3次元（平面型／立方体型）の端末配置における容量式を導出する。
• sinc近似を用いて解析的に独立信号次元の数を導出：1次元では1メートルあたり2/λ、2次元／3次元では1平方メートルあたりπ/λ²。
• 固定された単位面積あたりの送信電力（P̄）のもとで、正規化されたスループットC̄（nats/s/Hz/m²）を計算し、λ→0における収束を分析する。
• さまざまな端末密度と波長における最適受信機およびマッチドフィルタ受信機を用いた数値シミュレーションにより、結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単位面積あたりの送信電力が固定され、かつ波長が0に近づく場合、知能表面の根本的容量限界は何か？
• RQ2 1次元、2次元、3次元の端末配置において、単位面積あたりに空間多重化可能な独立信号次元はいくつあるか？
• RQ3 ユーザー密度の増加と波長の短縮に伴い、正規化されたスループットはどのようにスケーリングするか？
• RQ4 ユーザー負荷が高くなる状況下で、マッチドフィルタリングの性能は最適検出と比べて容量および耐障害性の観点でどの程度か？
• RQ5 実際の展開シナリオにおいて、端末配置の分布（規則的 vs. ランダム）が達成可能なスループットに与える影響は何か？

主な発見

• 単位面積あたりの送信電力が固定されている場合、波長λが0に近づくと、正規化されたスループットC̄はP̄/(2N₀) nats/s/Hz/m²に収束する。
• 1次元の端末配置では、1メートルあたりの独立信号次元数は2/λである。
• 2次元および3次元の配置では、1平方メートルあたりの独立信号次元数はπ/λ²である。
• 数値結果から、小さな知能表面でも中規模の部屋ではほぼ100人のユーザーをサポートでき、ユーザー1人あたりのスループットは単一ユーザーリンクと同等であることが示された。
• マッチドフィルタ受信機はほぼ最適性能を達成しており、端末間隔Δxが小さくなるにつれて収束するが、最適受信機には及ばない。
• ユーザー密度の増加に対しても高い耐障害性を示し、干渉が進行してもユーザー1人あたりのスループットは安定したまま維持されるため、大規模接続への高い潜在能力を有している。