[논문 리뷰] Performance Analysis of Large Intelligent Surfaces (LISs): Asymptotic Data Rate and Channel Hardening Effects

Minchae Jung, Walid Saad외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 실용적인 손상 요소인 채널 추정 오차, 공간 상관성이 있는 Rician fading, 하드웨어 손상 등을 고려하여 업링크 매크로 MIMO 유사 시스템에서 대규모 지능형 표면(LIS)의 渐近적 성능 분석을 제시한다. 이는 수신 기지국에서의 채널 상태 정보를 근사적으로 추정할 수 있음을 보여주며, LIS 요소 수가 증가함에 따라 채널 경직화가 발생하고, 대규모 스케일에서 잡음과 간섭의 영향이 무시 가능해짐을 입증한다.

ABSTRACT

The concept of a large intelligent surface (LIS) has recently emerged as a promising wireless communication paradigm that can exploit the entire surface of man-made structures for transmitting and receiving information. An LIS is expected to go beyond massive multiple-input multiple-output (MIMO) system, insofar as the desired channel can be modeled as a perfect line-of-sight. To understand the fundamental performance benefits, it is imperative to analyze its achievable data rate, under practical LIS environments and limitations. In this paper, an asymptotic analysis of the uplink data rate in an LIS-based large antenna-array system is presented. In particular, the asymptotic LIS rate is derived in a practical wireless environment where the estimated channel on LIS is subject to estimation errors and interference channels are spatially correlated Rician fading channels. Moreover, the occurrence of the channel hardening effect is analyzed and the performance bound is asymptotically derived for the considered LIS system. The analytical asymptotic results are then shown to be in close agreement with the exact mutual information as the numbers of antennas and devices increases without bounds. Moreover, the derived ergodic rates show that noise and interference from estimation errors and the non-line-of-sight path become negligible as the number of antennas increases. Simulation results show that an LIS can achieve a performance that is comparable to conventional massive MIMO with improved reliability and a significantly reduced area for antenna deployment.

연구 동기 및 목표

• 실제 조건(채널 추정 오차 및 하드웨어 손상 포함) 하에서 LIS 기반 시스템의 업링크 에르고딕 전송률을 분석하는 것.
• 안테나 수가 증가함에 따라 LIS 시스템에서 채널 경직화 현상이 어떻게 나타나는지 조사하는 것.
• 공간 상관성이 있는 Rician fading과 피LOT 간섭을 포함한 실용적 구현 제약 조건을 반영한 渐近적 성능 한계를 유도하는 것.
• 대규모 스케일 근사에서 정확한 상호정보량과의 정확도를 검증하는 것.
• 전통적인 매크로 MIMO와의 비교를 통해 LIS의 신뢰성 향상과 설치 면적 감소 등의 이점을 강조하는 것.

제안 방법

• 불완전한 채널 상태 정보와 하드웨어 손상 조건 하에서 대규모 시스템 분석을 활용하여 LIS 시스템의 渐近적 업링크 에르고딕 전송률을 유도한다.
• 수신 신호의 통계적 특성을 계산하기 위해 피LOT 간섭 및 Rayleigh fading 성분에 대해 복소수 정규 분포 근사를 적용한다.
• 직선 시야(LOS) 성분이 가까운 거리에서의 배치로 인해 지배적인 공간 상관성이 있는 Rician fading으로서의 수신 신호 및 간섭 채널을 모델링한다.
• 직선 시야(LOS) 및 비직선 시야(비-LOS) 성분을 포함하는 복합 채널 모델을 도입하며, 추정 오차는 상관 기반 프레임워크로 모델링한다.
• 모멘트 생성 함수 기법과 중심극한정리의 논리를 활용하여 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)의 渐近적 행동을 유도한다.
• LIS 요소 수가 증가함에 따라 유효 채널 이득의 분산이 사라짐을 확인함으로써 채널 경직화 효과를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIS 요소 수가 증가함에 따라 LIS 시스템의 에르고딕 업링크 전송률은 어떻게 渐近적으로 변화하는가?
• RQ2 채널 추정 오차와 하드웨어 손상은 LIS 시스템의 구현 가능한 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LIS 기반 시스템에서 채널 경직화 현상이 나타나는 조건은 무엇인가?
• RQ4 공간 상관성이 있는 Rician fading과 비-LOS 성분은 대규모 스케일에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전통적인 매크로 MIMO와 비교했을 때 LIS의 전송률, 신뢰성, 설치 면적 측면에서의 성능는 어떠한가?

주요 결과

• LIS 요소 수가 증가함에 따라 渐近적 에르고딕 전송률이 결정론적 값으로 수렴함을 확인하여 채널 경직화 현상이 발생함을 입증한다.
• 대규모 스케일에서 하드웨어 손상, 잡음, 추정 오차로 인한 간섭의 영향이 무시 가능해지며, 그 상대적 영향은 $\mathcal{O}(1/M)$ 속도로 감소한다.
• 유도된 渐近적 전송률은 정확한 상호정보량과 매우 유사하여, 대규모 $M$에서의 분석 근사의 정확성을 검증한다.
• 간섭 상관의 주요 기여 요소는 간섭 채널의 LOS 성분이며, 이는 채널 경직화 현상을 이끄는 핵심 원인이다.
• 시뮬레이션 결과는 LIS가 매크로 MIMO와 유사한 성능를 보이지만, 설치 면적은 현저히 줄어들고 신뢰성이 향상됨을 보여준다.
• LIS 요소 수 $M$이 증가함에 따라 유효 채널 이득의 분산이 감소하여, 최종적으로 결정론적 유효 채널이 된다.