[논문 리뷰] Asymptotic Analysis of Large Intelligent Surface Assisted MIMO Communication

Qurrat-Ul-Ain Nadeem, Abla Kammoun외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 19.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 24인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 활성 안테나 수가 훨씬 적은 대신 $N$개의 위상 이동 요소를 통해 신호를 수동으로 반사함으로써 다운링크 스펙트럼 효율을 향상시키는 대규모 지능형 표면(LIS)-보조 MIMO 시스템을 제안한다. 이는 막대한 MIMO 성능을 달성한다. 기지국과 LIS 사이의 랭크-1 및 랭크-풀 라인오브사이트(LoS) 채널에 대해 점근적 최적 선형 전방위 및 위상 최적화를 유도하며, $K$가 증가함에 따라도 SINR 향상이 가능함을 보여주고, 시뮬레이션을 통해 뚜렷한 에너지 절감과 막대한 MIMO와 유사한 성능을 확인한다.

ABSTRACT

This work focuses on the downlink of a single-cell multi-user (MU) system in which a base station (BS) equipped with $M$ antennas communicates with $K$ single-antenna users through a large intelligent surface (LIS) installed in the line-of-sight (LoS) of the BS. LIS is envisioned to offer unprecedented massive multiple-input multiple-output (MIMO) like gains by utilizing $N$ passive reflecting elements that induce phase shifts on the impinging electromagnetic waves to smartly reconfigure the signal propagation environment. We study the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) achieved by the optimal linear precoder (OLP), that maximizes the minimum SINR subject to a given power constraint for any given LIS phase matrix, for the cases where the LoS channel matrix between the BS and the LIS is of rank-one and of full-rank. In the former scenario, the minimum SINR is bounded by a quantity that goes to zero with $K$. For the high-rank scenario, we develop accurate deterministic approximations for the parameters of the asymptotically OLP, which are then utilized to optimize the LIS phase matrix. Simulation results show that the LIS-assisted system can offer massive MIMO like gains with a much fewer number of active antennas, thereby significantly reducing the energy consumption at the BS.

연구 동기 및 목표

• 단일셀 다운링크 환경에서 대규모 지능형 표면(LIS)-보조 다중 사용자 MIMO 시스템의 점근적 성능을 분석하는 것.
• 다양한 LIS 위상 행렬 구성에 대해 전력 제약 조건 하에서 최적 선형 전방위(OLP)가 달성하는 최소 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)를 조사하는 것.
• 효율적인 LIS 위상 행렬 최적화를 가능하게 하기 위해 고랭크 LoS 채널 케이스에서 점근적 OLP 파rameter에 대한 결정론적 근사식을 유도하는 것.
• LIS가 기지국의 에너지 소비를 크게 줄이며 막대한 MIMO 유사 스펙트럼 효율 성능 향상을 제공할 수 있음을 보여주는 것.
• LIS 채널 랭크(랭크-1 대 랭크-풀)가 시스템 성능과 사용자 수 $K$에 따른 SINR 스케일링에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• 기지국(BS)이 $M$개의 활성 안테나와 $K$개의 단일 안테나 사용자를 갖는 단일셀 다중 사용자 MIMO 시스템의 다운링크를 모델링하며, $N$개의 수동 반사 요소를 갖는 대규모 지능형 표면(LIS)에 의해 보조된다.
• 기지국과 LIS 사이의 라인오브사이트(LoS) 전파를 가정하며, 이들 사이의 LoS 채널 행렬은 랭크-1 또는 랭크-풀일 수 있다.
• 주어진 LIS 위상 행렬에 대해 총 전송 전력 제약 조건 하에서 최적 선형 전방위(OLP)가 달성하는 최소 SINR을 분석한다.
• 랜덤 행렬 이론을 사용하여 랭크-풀 케이스에서 점근적 OLP 파rameter에 대한 결정론적 등가를 도출함으로써 실용적인 위상 최적화를 가능하게 한다.
• 유도된 결정론적 근사식을 기반으로 최소 SINR을 최대화하는 LIS 위상 행렬 최적화 프레임워크를 제안한다.
• 이론적 결과를 시뮬레이션을 통해 검증하며, 스펙트럼 효율 및 에너지 효율 측면에서 기존의 막대한 MIMO와의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국과 LIS 사이의 LoS 채널이 랭크-1일 경우, 사용자 수 $K$가 증가함에 따라 최소 SINR은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 기지국과 LIS 사이의 고랭크 LoS 채널 상황에서 최적 선형 전방위(OLP)의 점근적 특성은 무엇인가?
• RQ3 고신호 대 간섭+노이즈비(SNR) 및 큰 $N$ 조건에서 OLP 파rameter에 대한 정확한 결정론적 근사식을 도출할 수 있는가? 이를 통해 효율적인 LIS 위상 최적화가 가능할까?
• RQ4 LIS 보조 시스템이 기지국의 활성 안테나 수를 훨씬 줄이며 막대한 MIMO 유사 스펙트럼 효율 성능 향상을 얼마나 달성할 수 있는가?
• RQ5 에너지 효율성 및 $K$에 따른 SINR 스케일링 측면에서 LIS 보조 시스템은 기존의 막대한 MIMO와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 랭크-1 LoS 채널 케이스에서 최적 선형 전방위(OLP)가 달성하는 최소 SINR은 사용자 수 $K$가 증가함에 따라 0으로 수렴하는 양으로 유계이다.
• 랭크-풀 LoS 채널 케이스에서 본 논문은 점근적 OLP 파rameter에 대해 정확한 결정론적 근사식을 도출하였으며, 이는 효과적인 위상 행렬 최적화를 가능하게 한다.
• 제안된 LIS 보조 시스템은 기지국의 활성 안테나 수가 훨씬 적은 상황에서도 막대한 MIMO 유사 스펙트럼 효율 성능 향상을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과는 LIS 보조 시스템이 기지국의 에너지 소비를 크게 줄이며 높은 스펙트럼 효율을 유지함을 확인한다.
• 최적화된 LIS 위상 이동을 통해 최소 SINR이 최대화되며, 사용자 수 $K$가 증가할수록 성능 향상이 더욱 두드러진다.
• 이론적 분석과 시뮬레이션 결과는 LIS가 전파 환경을 재구성함으로써 더 낮은 하드웨어 비용과 전력 소비로 막대한 MIMO 성능에 준하는 성능을 달성할 수 있음을 보여준다.