[논문 리뷰] MIMO Detection for Reconfigurable Intelligent Surface-Assisted Millimeter Wave Systems

Xi Yang, Chao-Kai Wen외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 46인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저해상도 ADCs와 이산형 단계 이동 RIS 어레이를 사용하여 공간 다양성과 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 밀리미터파(mmWave) MIMO 시스템을 제안한다. 선형 공간 처리와 맞춤형 MIMO 검출기를 활용하여, 3비트 ADCs와 2비트 RIS 단계 이동 조건에서도 우수한 성능을 달성하며, 이상적인 하드웨어 성능과 비교해 중간 정도의 성능 저하만을 보인다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) band, or high frequencies such as THz, has large undeveloped band of spectrum. However, wireless channels over the mmWave band usually have one or two paths only due to the severe attenuation. The channel property restricts its development in the multiple-input multiple-output (MIMO) system, which can improve throughput by increasing the spectral efficiency. Recent development in reconfigurable intelligent surface (RIS) provides new opportunities to mmWave communications. In this study, we propose a mmWave system, which used low-precision analog-to-digital converters (ADCs), with the aid of several RIS arrays. Moreover, each RIS array has many reflectors with discrete phase shift. By employing the linear spatial processing, these arrays form a synthetic channel with increased spatial diversity and power gain, which can support MIMO transmission. We develop a MIMO detector according to the characteristics of the synthetic channel. RIS arrays can provide spatial diversity to support MIMO transmission, however, different number, antenna configuration, and deployment of RIS arrays affect the bit error rate (BER) performance. We present state evolution (SE) equations to evaluate the BER of the proposed MIMO detector in the different cases. The BER performance of indoor system is studied extensively through leveraging by the SE equations. We reveal numerous insights about the RIS effects and discuss the appropriate system settings. In addition, our results demonstrate that the low-cost hardware, such as the 3-bit ADCs of the receiver side and the 2-bit uniform discrete phase shift of the RIS arrays, only moderately degenerate the system performance.

연구 동기 및 목표

• 희박한 산란 환경으로 인한 공간 다양성 부족과 고경로 손실 문제를 해결하기 위해.
• 비용 및 에너지 효율성을 위해 RIS 보조 mmWave 시스템에 저해상도 하드웨어(3비트 ADCs, 2비트 RIS 단계 이동) 통합의 가능성 탐색을 위해.
• RIS 어레이가 형성하는 합성 채널에 특화된 MIMO 검출 기법 설계를 통해 비트 오류율(BER) 성능 최적화를 위해.
• 상태 진화(SE) 방정식을 사용하여 RIS 어레이 수, 구성 및 배치가 시스템 BER에 미치는 영향 분석을 위해.

제안 방법

• 다중 RIS 어레이를 활용하여 이산형 단계 이동 반사소자를 갖춘 mmWave MIMO 시스템을 제안하여, 공간 다양성과 경로 이득을 향상시키는 합성 채널을 형성한다.
• 수신단에서 선형 공간 처리를 적용하여 다중 RIS 보조 경로의 신호를 통합하여 가상 MIMO 채널을 형성한다.
• RIS에 의해 유도되는 단계 이동과 경로 이득을 고려한 합성 채널 구조에 특화된 MIMO 검출기를 개발한다.
• 다양한 RIS 구성 및 하드웨어 정밀도 수준에서 BER 성능을 분석적으로 평가하기 위해 상태 진화(SE) 방정식을 유도한다.
• 가공된 최소제곱오차(MMSE) 추정과 BER 예측을 가능하게 하기 위해 로그우도비율(LLR) 분포의 가우시안 근사를 적용한다.
• SE 기반 성능 평가의 정확성을 확보하기 위해 BER 매칭 기법을 활용하여 노이즈 정밀도를 校정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 어레이의 수와 구성이 mmWave MIMO 시스템의 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 저해상도 ADCs(예: 3비트)와 저해상도 RIS 단계 이동(예: 2비트)이 시스템 성능에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 RIS 어레이가 희박한 산란 환경에서 mmWave 대역의 MIMO 전송을 지원하기 위해 효과적으로 공간 다양성을 제공할 수 있는가?
• RQ4 다양한 RIS 배치 및 하드웨어 제약 조건 하에서 상태 진화(SE) 방정식이 BER 성능을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 성능과 하드웨어 비용을 균형 잡기 위한 최적의 시스템 설정(예: RIS 어레이 수, 단계 이동 해상도)은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 RIS 보조 mmWave MIMO 시스템은 다중 RIS 어레이를 통한 합성 채널 형성으로 인해 뚜렷한 공간 다양성과 경로 이득을 달성한다.
• 3비트 ADCs와 2비트 RIS 단계 이동 조건에서도 이상적인 정밀도 시스템과 비교해 중간 정도의 성능 저하만을 경험한다.
• 상태 진화(SE) 방정식은 다양한 RIS 구성 조건에서 BER 성능을 정확히 예측할 수 있으며, 이는 시스템 설계 최적화를 가능하게 한다.
• BER 성능은 RIS 어레이 수와 설치 기하학적 구조에 매우 민감하며, 높은 어레이 수가 다양성 이득을 향상시킨다.
• LLR 분포의 가우시안 근사는 정확한 MMSE 추정과 BER 예측을 가능하게 하며, 시뮬레이션 결과와의 BER 매칭을 통해 검증되었다.
• 저해상도 하드웨어 조건에서도 시스템은 견고한 성능을 발휘하여, 비용 효율적인 mmWave 배포의 큰 잠재력을 보여준다.