[論文レビュー] Uplink Achievable Rate of Intelligent Reflecting Surface-Aided Millimeter-Wave Communications with Low-Resolution ADC and Phase Noise

Kangda Zhi, Cunhua Pan+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、基地局における低分解能ADCとIRS反射素子からの位相ノイズを併存するハードウェア制限を受けるインтелиジェント反射表面（IRS）支援ミリ波システムにおける上行リンク可能なレートを導出する。Nが非常に大きくなる場合、システム性能はADC分解能にのみ制限されることを示しており、理想的なADCを仮定した場合、位相ノイズによるレート損失はNに依存せず一定に保たれることを示しており、低分解能受信機と組み合わせた低精度IRSの実装が有効であることを裏付けている。

ABSTRACT

In this paper, we derive the uplink achievable rate expression of intelligent reflecting surface (IRS)-aided millimeter-wave (mmWave) systems, taking into account the phase noise at IRS and the quantization error at base stations (BSs). We show that the performance is limited only by the resolution of analog-digital converters (ADCs) at BSs when the number of IRS reflectors grows without bound. On the other hand, if BSs have ideal ADCs, the performance loss caused by IRS phase noise is a constant. Finally, our results validate the feasibility of using low-precision hardware at the IRS when BSs are equipped with low-resolution ADCs.

研究の動機と目的

• 低分解能ADCとIRS位相ノイズがミリ波システムにおける上行リンク可能なレートに与える影響を分析すること。
• 併存するハードウェア制限下での可能なレートの閉形式表現を導出すること。
• IRS反射素子数を増大させる際のシステムの漸近的挙動を特徴づけること。
• 基地局とIRSの両方で低精度ハードウェアを実用的に導入可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 低分解能ADCおよび位相ノイズを伴うIRS支援ミリ波システムにおける上行リンク可能なレートの閉形式表現を導出する。
• IRSの位相シフトを有限分解能$ B $の均等分布量子化値としてモデル化し、位相ノイズを導入する。
• 強大数法則を用いて、$ N \to \infty $ の際の有効チャネルゲインの漸近的挙動を分析する。
• サインカーブ関数近似を用いて、位相量子化がアレイゲインに与える影響をモデル化する。
• 異なるハードウェア制約下での可能なレートの漸近的表現を導出する。
• 与えられた分解能制約下でのレート損失閾値の分析を通じて、理論的考察を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基地局における低分解能ADCは、IRS支援ミリ波上行リンクシステムの可能なレートにどのように影響するか？
• RQ2 有限分解能による位相シフトが、IRSの位相ノイズとして生じる場合、システム性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 IRS反射素子数が増加するに従い、性能制限が位相ノイズからADC分解能にシフトするか？
• RQ4 基地局が低分解能ADCを使用する場合、低精度IRS素子を実用的に展開可能か？
• RQ5 与えられたレート損失閾値$ \delta $を満たすために、IRSの位相シフト分解能$ B $とADCの分解能$ \gamma $はそれぞれ最小でどの程度必要か？

主な発見

• IRS反射素子数$ N \to \infty $ となる場合、可能なレートは基地局のADC分解能にのみ制限される。
• 理想的（無限分解能）ADCを仮定した場合、IRS位相ノイズによる性能損失は$ N $に依存せず一定に保たれ、位相量子化に起因する根本的な限界が存在することを示している。
• 可能なレートの表現は、$ \gamma $がADC分解能であるとき、$ \log_2\left(1 + \frac{\gamma P |\alpha\beta|^2 N^2 M}{\gamma + (1 - \gamma)(1 + P|\alpha\beta|^2 N^2)}\right) $ に漸近的に収束する。
• 位相ノイズはサインカーブ関数$ \text{sinc}(\pi / 2^B) $ を介してアレイゲインを低下させ、位相量子化に起因する有効チャネルゲイン損失を定量化する。
• 与えられたレート損失閾値$ \delta $に対して、不等式を用いて$ \text{sinc}(\pi / 2^B) $ とSNR表現を介して、IRSの必要分解能$ B $およびADCの分解能$ \gamma $を導出可能である。
• 位相ノイズによるレート損失は有界であり、$ N $に従って増大しない。したがって、低分解能ADCと組み合わせた低精度IRSは実用的である。