[논문 리뷰] Large Intelligent Surface-Based Index Modulation: A New Beyond MIMO Paradigm for 6G

Ertuğrul Başar|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 6G 시스템에서 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 향상시키기 위해 대규모 지능형 표면(LIS)을 사용하는 새로운 인덱스 변조 기법인 LIS-SSK 및 LIS-SM을 제안한다. 수신 안테나 인덱스에 대한 지능형 반사와 인덱스 변조를 융합함으로써, 높은 스펙트럼 효율성과 초고신뢰성 통신을 달성하였으며, 최적 및 준최적 검출 및 이론적 비트 오류율 분석을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Transmission through large intelligent surfaces (LIS), which modify the phases of incident waves in a deliberate manner to enhance the signal quality at the receiver, has been recently put forward as a promising candidate for future wireless communication systems and standards. In this paper, we bring the concept of LIS-assisted communications to the realm of index modulation (IM) by proposing LIS-space shift keying (LIS-SSK) and LIS-spatial modulation (LIS-SM) schemes. These two schemes are realized through not only intelligent reflection of the incoming electromagnetic waves to improve the signal quality at the receiver but also utilization of the IM principle for the indices of multiple receive antennas in a clever way to improve the spectral efficiency. Maximum energy-based suboptimal (greedy) and exhaustive search-based optimal (maximum likelihood) detectors of the LIS-SSK/SM schemes are formulated and a unified framework is presented for the derivation of the theoretical average bit error probability of the proposed schemes using both detectors. Extensive computer simulation results are provided to assess the potential of LIS-assisted IM schemes as well as to verify our theoretical derivations and remarks. Our findings also reveal that LIS-based IM, which enables ultra-reliable transmission with high spectral efficiency, can become a potential candidate for future wireless communication systems in the context of beyond massive multiple-input multiple-output (MIMO) solutions.

연구 동기 및 목표

• 초기 6G 무선 시스템에서 마이크로MIMO를 초월하여 더 높은 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 확보할 필요를 해결하기 위해.
• 기존 MIMO 및 인덱스 변조의 한계를 극복하기 위해 대규모 지능형 표면(LIS)을 인덱스 변조에 통합하기 위해.
• 파면 조절과 안테나 인덱스 선택을 모두 활용하는 새로운 LIS 보조 인덱스 변조 기법인 LIS-SSK 및 LIS-SM을 제안하기 위해.
• 제안된 기법에 대한 최적(최대우도) 및 준최적(최대 에너지 기반 그레디) 검출 기법을 개발하기 위해.
• 두 검출 방법에 대해 LIS-SSK 및 LIS-SM의 평균 비트 오류 확률에 대한 통합 이론적 프레임워크를 유도하기 위해.

제안 방법

• 대규모 지능형 표면을 통한 지능형 반사와 다중 수신 안테나 인덱스에 대한 인덱스 변조를 융합한 새로운 변조 기법인 LIS-SSK 및 LIS-SM을 제안한다.
• LIS에 지능형 단계 이동을 적용하여 수신기에서 신호를 조절하고 강화함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키고 신뢰성을 높인다.
• 활성 수신 안테나의 인덱스를 정보를 담는 기호로 활용함으로써 대역폭을 늘리지 않고도 스펙트럼 효율성을 증가시킨다.
• 저복잡도 검출을 위해 수신 신호 에너지가 가장 높은 안테나 인덱스를 선택하는 최대 에너지 기반 준최적 검출기를 설계한다.
• 모든 가능한 안테나 인덱스 조합을 평가하여 비트 오류 확률을 최소화하는 전수 검색 기반 최적 검출기를 개발한다.
• 두 검출 방법을 사용한 LIS-SSK 및 LIS-SM의 평균 비트 오류 확률에 대한 통합 이론적 표현을 유도하여 성능 분석 및 비교를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 지능형 표면을 어떻게 인덱스 변조와 융합하여 6G 시스템의 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 LIS-SSK 및 LIS-SM는 기존의 MIMO 및 인덱스 변조 기법에 비해 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 최적 및 준최적 검출 기법은 LIS 기반 인덱스 변조의 비트 오류율과 복잡도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 통합 이론적 프레임워크는 두 검출 전략 하에서 LIS-SSK 및 LIS-SM의 평균 비트 오류 확률을 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ5 LIS 보조 인덱스 변조는 미래의 무선 네트워크를 위한 마이크로MIMO 초월 솔루션으로서 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• LIS-SSK 및 LIS-SM는 지능형 반사와 안테나 인덱스 선택을 동시에 활용하여 대역폭을 늘리지 않고도 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• LIS에서의 지능형 단계 제어로 인해 향상된 신호 품질 덕분에 제안된 기법은 초고신뢰성 통신을 실현한다.
• 이론적 분석은 유도된 평균 비트 오류 확률 표현의 정확성을 확인하였으며, 광범위한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증되었다.
• 준최적의 최대 에너지 기반 검출기는 성능과 복잡도 사이의 우수한 트레이드오프를 제공하며 최적의 최대우도 검출기 성능에 근접한다.
• 시뮬레이션 결과는 LIS 기반 인덱스 변조가 스펙트럼 효율성과 신뢰성 측면에서 기존의 MIMO 및 인덱스 변조보다 뛰어나다는 것을 확인한다.
• 통합 프레임워크는 다양한 검출 전략 하에서 LIS-SSK 및 LIS-SM의 일관된 성능 평가 및 비교를 가능하게 한다.