[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface-Assisted Massive MIMO: Favorable Propagation, Channel Hardening, and Rank Deficiency

Trinh Van Chien, Hien Quoc Ngo외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)가 지원하는 매크로 MIMO 시스템에서 기본 채널 성질—유리한 전파, 채널 하드닝, 랭크 부족성—을 조사한다. 직접 및 간접 링크를 통해 형성된 집합 채널을 분석함으로써, RIS가 공간 다중화와 랭크 부족성을 향상시키지만, 특히 유한한 어레이를 가진 경우 레이일라이 페이딩 하에서 전통적인 매크로 MIMO에 비해 채널 하드닝을 악화시킬 수 있음을 보여주는 폐쇄형 결정론적 지표를 유도한다.

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) and reconfigurable intelligent surface (RIS) are two promising technologies for 5G-and-beyond wireless networks, capable of providing large array gain and multiuser spatial multiplexing. Without requiring additional frequency bands, those technologies offer significant improvements in both spectral and energy efficiency by simultaneously serving many users. The performance analysis of an RIS-assisted Massive MIMO system as a function of the channel statistics relies heavily on fundamental properties including favorable propagation, channel hardening, and rank deficiency. The coexistence of both direct and indirect links results in aggregated channels, whose properties are the main concerns of this lecture note. For practical systems with a finite number of antennas and scattering elements of the RIS, we evaluate the corresponding deterministic metrics with Rayleigh fading channels as a typical example.

연구 동기 및 목표

• RIS가 매크로 MIMO 시스템의 기본 채널 성질에 미치는 영향을 분석하기.
• 직접 및 간접 링크의 공존이 채널 하드닝과 랭크 부족성에 미치는 영향을 정량화하기.
• RIS 보조 시스템에서 유리한 전파, 채널 하드닝, 랭크 부족성에 대한 결정론적 지표를 도출하기.
• 유한하지만 큰 수의 안테나와 RIS 요소를 가진 조건에서 레이일라이 페이딩 하에서 시스템 성능 평가하기.
• 강건하고 에너지 효율적인 RIS가 지원하는 매크로 MIMO 시스템을 위한 설계 통찰 제공하기.

제안 방법

• 기지국에 M개의 안테나와 RIS에 N개의 위상 이동 요소를 가진 RIS가 지원하는 매크로 MIMO 시스템 모델링.
• 집합 채널 벡터를 직접 링크와 RIS 반사 링크의 합으로 정의: $\mathbf{z}_k = \mathbf{u}_k + \mathbf{H}\mathbf{\Phi}\mathbf{g}_k$.
• 랜덤 행렬 이론을 사용하여 채널 하드닝, 유리한 전파, 랭크 부족성에 대한 결정론적 등가를 유도.
• 채널 하드닝을 정량화하기 위해 $\mathsf{CH}_k = \mathbb{E}[|\mathbf{z}_k^H \mathbf{z}_k|^2] / \mathbb{E}[|\mathbf{z}_k^H \mathbf{z}_k|]^2$와 같은 폐쇄형 표현식을 계산.
• 통계적 성질 평가를 위해 기지국-RIS($\mathbf{H}$), RIS-사용자($\mathbf{g}_k$), 직접 링크($\mathbf{u}_k$) 채널에 대해 레이일라이 페이딩 적용.
• 고정된 비율을 가진 $M, N \to \infty$ 조건에서 渐近적 행동 분석하여 수렴 속도가 $(M+N)/(MN)$ 비례함을 도출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS의 존재가 매크로 MIMO 시스템에서 채널 하드닝 성질에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 RIS는 집합 채널에서 유리한 전파와 랭크 부족성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 유한한 어레이를 가진 RIS가 지원하는 매크로 MIMO에서 핵심 채널 성질에 대한 폐쇄형 결정론적 지표를 도출할 수 있는가?
• RQ4 위상 이동 계수와 어레이 차원은 채널 통계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 간접 링크는 전체 채널 공분산 구조와 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 채널 하드닝 지표 $\mathsf{CH}_k$ 는 $M,N \to \infty$ 일 때 0으로 수렴하지만, 수렴 속도는 $(M+N)/(MN)$ 비례하므로 RIS가 있는 경우 하드닝이 느리게 일어남을 시사한다.
• RIS가 지원하는 시스템은 여전히 유리한 전파와 채널 희소성을 유지하지만, 레이일라이 페이딩 하에서는 전통적인 매크로 MIMO보다 성능이 열 劣하다.
• 특히 100개의 기지국 안테나를 가진 경우, 공분산 행렬 $\mathbb{E}[\mathbf{h}_k\mathbf{h}_k^H]$ 의 랭크가 RIS 지원으로 크게 증가하여 랭크 부족성이 완화됨.
• 채널 하드닝에 대한 폐쇄형 표현식은 위상 이동 계수에 영향을 받지 않으며, 이는 상관 없는 레이일라이 페이딩 조건 하에서 통계적 제어를 통한 스마트 환경 제어가 불가능함을 의미한다.
• 수치 결과는 간접 링크가 채널 하드닝을 악화시키지만, 랭크와 다중성 증가로 인해 공간 다중화 이득을 향상시킴을 확인한다.
• 유도된 결정론적 지표는 임의의 유한한 $M$과 $N$에 대해 유효하므로 실용적 시스템 설계 및 최적화에 기여한다.