[논문 리뷰] The Potential of Using Large Antenna Arrays on Intelligent Surfaces

Sha Hu, Fredrik Rusek외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 10.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 무선 통신을 위한 대규모 안테나 어레이로써의 대규모 지능형 표면의 사용을 조사하며, 단위 면적당 고정된 송신 전력 조건에서 파장 λ→0일 때, 단위 면적당 정규화된 용량이 P̄/(2N₀)에 수렴함을 보여준다. 파장에 따른 신호 차원 수를 유도하여 1차원(1D) 기준으로는 1m당 2/λ, 2차원/3차원(2D/3D) 기준으로는 1m²당 π/λ²로 유도하며, 고밀도 사용자 환경에서도 높은 스펙트럼 효율성과 강인성을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we consider capacities of single-antenna terminals communicating to large antenna arrays that are deployed on surfaces. That is, the entire surface is used as an intelligent receiving antenna array. Under the condition that the surface area is sufficiently large, the received signal after matched-filtering (MF) can be well approximated by an intersymbol interference (ISI) channel where channel taps are closely related to a sinc function. Based on such an approximation, we have derived the capacities for both one-dimensional (terminals on a line) and high dimensional (terminals on a plane or in a cube) terminal-deployments. In particular, we analyze the normalized capacity $\bar{\mathcal{C}}$, measured in nats/s/Hz/m$^2$, under the constraint that the transmit power per m$^2$, $\bar{P}$, is fixed. We show that when the user-density increases, the limit of $\bar{\mathcal{C}}$, achieved as the wavelength $λ$ approaches 0, is $\bar{P}/(2N_0)$ nats/s/Hz/m$^2$, where $N_0$ is the spatial power spectral density (PSD) of noise. In addition, we also show that the number of signal dimensions is $2/λ$ per meter deployed surface for the one-dimensional case, and $π/λ^2$ per m$^2$ deployed surface for two and three dimensional terminal-deployments.

연구 동기 및 목표

• 지능형 표면이 대규모 수신 안테나 어레이로 기능할 때의 정보 전송 용량을 분석하기 위해.
• 단위 면적당 고정된 송신 전력 조건에서 스펙트럼 효율의 기본 한계를 규명하기 위해.
• 일차원, 이차원, 삼차원 단말 배치에서 공간 multiplexing에 사용 가능한 독립적 신호 차원 수를 정량화하기 위해.
• 사용자 밀도가 증가함에 따라 매칭 필터링 및 최적 검출 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 자기 방사하는 단말을 가정하고 자유공간의 LOS 전파 모델을 사용하여 대규모 평판 표면에 수신된 신호를 모델링한다.
• 신호를 추출하기 위해 매칭 필터링(MF)을 적용하며, 효과적 채널을 상호심호영향(ISI) 채널로 모델링하고, 터프(tap)를 샘플 함수로 근사한다.
• 통계적 신호 처리 및 스펙트럼 효율 분석을 사용하여 일차원(선형) 및 이차원/삼차원(평판/입체) 단말 배치에 대한 용량 식을 유도한다.
• 샘플 함수 근사를 사용하여 독립적 신호 차원 수를 해석적으로 유도한다: 1D 기준 1m당 2/λ, 2D/3D 기준 1m²당 π/λ².
• 고정된 단위 면적당 송신 전력(P̄) 조건에서 정규화된 용량 C̄을 nats/s/Hz/m² 단위로 계산하며, 파장 λ→0일 때 수렴성을 분석한다.
• 다양한 단말 밀도와 파장 조건에서 최적 수신기 및 매칭 필터 수신기를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단위 면적당 고정된 송신 전력 조건에서 파장이 0에 수렴할 때 지능형 표면의 기본 용량 한계는 무엇인가?
• RQ2 1D, 2D, 3D 단말 배치에서 단위 면적당 공간 다중화에 사용 가능한 독립적 신호 차원 수는 몇 개인가?
• RQ3 사용자 밀도 증가 및 파장 감소에 따라 정규화된 용량은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 높은 사용자 부하 조건에서 매칭 필터링 성능은 최적 검출 대비 용량 및 강인성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 실제 배치 환경에서 단말 분포(정규적 대비 무작위)는 달성 가능한 용량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 단위 면적당 고정된 송신 전력 조건에서 파장 λ가 0에 수렴할 때 정규화된 용량 C̄는 P̄/(2N₀) nats/s/Hz/m²로 수렴한다.
• 일차원 단말 배치의 경우 1m당 독립적 신호 차원 수는 2/λ이다.
• 이차원 및 삼차원 배치의 경우 1m²당 독립적 신호 차원 수는 π/λ²이다.
• 수치 결과는 작은 지능형 표면조차도 중간 크기의 방에서 거의 100명의 사용자를 지원할 수 있으며, 사용자당 용량이 단일 사용자 링크와 유사함을 보여준다.
• 매칭 필터 수신기는 거의 최적 성능을 달성하며, 단말 간격 Δx가 감소함에 따라 수렴하지만, 여전히 최적 수신기보다 열 劣하다.
• 사용자 밀도 증가에 대해 매우 강인하며, 간섭이 증가하더라도 사용자당 용량이 안정적으로 유지되어 대량 연결에 매우 높은 잠재력을 보인다.