[논문 리뷰] Large Intelligent Surface-Assisted Wireless Communication Exploiting Statistical CSI

Yu Han, Wankai Tang외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 6인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 라이스키 fading 조건 하에서 통계적 채널 상태 정보(CSI)를 사용하여 대규모 인텔리전트 서피스(LIS)-보조 MIMO 시스템의 에르고딕 용량을 최대화하기 위해 최적의 위상 이동 설계를 제안한다. 이는 날카운 가까운 에르고딕 용량 근사식을 유도하고, 2비트 위상 이동 양자화가 1비트/s/Hz 이하의 용량 저하를 보장함으로써 하드웨어 구현의 효율성과 실용성을 확보한다.

ABSTRACT

Large intelligent surface (LIS)-assisted wireless communications have drawn attention worldwide. With the use of low-cost LIS on building walls, signals can be reflected by the LIS and sent out along desired directions by controlling its phases, thereby providing supplementary links for wireless communication systems. In this study, we evaluate the performance of an LIS-assisted large-scale antenna system by formulating a tight approximation of the ergodic capacity and investigate the effect of the phase shifts on the ergodic capacity in different propagation scenarios. In particular, we propose an optimal phase shift design based on the ergodic capacity approximation and statistical channel state information. Furthermore, we derive the requirement on the quantization bits of the LIS to promise an acceptable capacity degradation. Numerical results show that using the proposed phase shift design can achieve the maximum ergodic capacity, and a 2-bit quantizer is sufficient to ensure capacity degradation of no more than 1 bit/s/Hz.

연구 동기 및 목표

• 라이스키 페이딩 조건 하에서 LIS 보조 대규모 안테나 시스템의 에르고딕 용량을 평가하기 위해.
• 순간적 CSI 피드백을 피하기 위해 통계적 CSI만을 사용하여 에르고딕 용량을 최대화하는 최적의 위상 이동 설계를 개발하기 위해.
• 용량 저하를 수용 가능한 수준으로 제한하기 위해 LIS 위상 이동에 필요한 최소 양자화 비트 수를 규명하기 위해.
• 에르고딕 용량 근사의 날카운 정도를 검증하고, 무작위 위상 이동 대비 제안된 설계의 우수성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 무작위 행렬 이론을 활용하여 라이스키 페이딩 조건 하에서 LIS 보조 대규모 MIMO 시스템의 에르고딕 용량에 대한 날카운 근사식을 수립한다.
• 에르고딕 용량 근사식과 통계적 CSI를 기반으로 한 최적의 위상 이동 설계를 제안하며, 용량 최대화를 목표로 한다.
• 에르고딕 용량 저하를 1비트/s/Hz 이하로 제한하기 위해 필요한 최소 양자화 비트 수(B)에 대한 이론적 하한을 유도한다.
• 에르고딕 용량 근사의 정확성을 검증하기 위해 10,000개의 채널 실현치를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 최적의 위상 이동, 무작위 위상 이동 및 레이일리 페이딩 조건 하에서의 성능을 비교하여 설계의 효과성을 입증한다.
• 신호 대 잡음비(SNR), 어레이 크기 M, LIS 크기 N, 라이스키 K-팩터와 같은 시스템 파라미터가 필요한 양자화 비트 수에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIS 보조 대규모 MIMO 시스템에서 라이스키 페이딩 조건 하에서 제안된 에르고딕 용량 근사식의 정확도는 어떠한가?
• RQ2 통계적 CSI만 제공될 경우, 에르고딕 용량을 최대화하는 최적의 위상 이동 구성은 무엇인가?
• RQ3 용량 저하가 1비트/s/Hz 이하로 유지되도록 하기 위해 LIS 위상 이동에 필요한 최소 양자화 비트 수는 몇 개인가?
• RQ4 무작위 위상 이동 대비 최적의 위상 이동 설계가 에르고딕 용량 측면에서 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 송신 전력, 어레이 크기, 라이스키 K-팩터와 같은 시스템 파라미터는 필요한 양자화 해상도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 에르고딕 용량 근사식은 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 밀접하게 일치하며, 라이스키 K-팩터가 증가할수록 격차가 점점 줄어든다.
• 통계적 CSI 기반 최적의 위상 이동 설계는 무작위 위상 이동보다 뚜렷하게 뛰어나며, 특히 LIS 요소 수가 증가할수록 성능 향상이 두드러진다.
• 라이스키 페이딩 조건 하에서 무작위 위상 이동은 레이일리 페이딩 성능 이하로 성능 저하를 초래할 수 있으며, 이는 지능적인 위상 제어의 중요성을 강조한다.
• 2비트 위상 이동 양자화를 사용할 경우, 이론적 분석과 시뮬레이션을 통해 에르고딕 용량 저하가 1비트/s/Hz 이하로 보장됨을 확인하였다.
• 더 높은 송신 전력, 더 큰 기지국 어레이 크기(M) 또는 더 큰 LIS 면적(N)일수록 필요한 양자화 비트 수가 감소함을 확인하여 하드웨어 민감도가 낮아지는 경향을 보였다.
• ξ = 1 및 P = 0 dB 조건에서 B ≥ 2비트의 이론적 요구 조건이 검증되었으며, 전력과 어레이 크기를 증가시켜도 성능 저하가 여전히 1비트/s/Hz 이내에 머물러 있음을 확인하였다.