[논문 리뷰] Large Intelligent Surface Assisted MIMO Communications

Qurrat-Ul-Ain Nadeem, Abla Kammoun외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 19.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 65

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 기지국이 수동적인 대칭지능표면(LIS)을 통해 단일 안테나 사용자와 통신하는 대규모 지능표면(LIS)-보조 MIMO 시스템을 제안한다. 이 시스템은 무선 전파를 재구성하여 최적의 선형 전처리를 도출하여 최소 SINR를 최대화하며, 활성 안테나 수를 크게 줄임으로써 에너지 소비를 극적으로 감소시키면서도 마치 막대한 MIMO(Massive MIMO) 성능을 달성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

This work focuses on the downlink of a single-cell multi-user (MU) system in which a base station (BS) equipped with $M$ antennas communicates with $K$ single-antenna users through a large intelligent surface (LIS) installed in the line-of-sight (LoS) of the BS. LIS is envisioned to offer unprecedented massive multiple-input multiple-output (MIMO) like gains by utilizing $N$ passive reflecting elements that induce phase shifts on the impinging electromagnetic waves to smartly reconfigure the signal propagation. We study the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) achieved by the optimal linear precoder (OLP), that maximizes the minimum SINR subject to a given power constraint for any given LIS phase matrix, for the cases where the LoS channel matrix between the BS and the LIS is of rank-one and of full-rank. In the former scenario, the minimum SINR is bounded by a quantity that goes to zero with $K > 1$. For the high-rank scenario, we develop accurate deterministic approximations for the parameters of the asymptotically OLP, which are then utilized to optimize the LIS phase matrix. Simulation results show that the LIS-assisted system can offer Massive MIMO like gains with a much fewer number of active antennas, thereby significantly reducing the energy consumption at the BS.

연구 동기 및 목표

• 전력 제약 조건 하에서 LIS 보조 다운링크 MIMO 시스템의 최소 SINR 측면에서 성능 한계를 조사한다.
• LIS의 위상 이완이 시스템의 스펙트럼 효율성과 간섭 관리에 미치는 영향을 분석한다.
• 고질서도의 LoS 채널 환경에서 최적 전처리를 위한 결정론적 근사치를 개발한다.
• 최소 사용자 SINR를 최대화하기 위해 LIS 위상 행렬을 최적화한다.
• LIS가 훨씬 적은 활성 안테나 수로도 막대한 MIMO 성능을 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 기지국(M개 안테나), K개의 단일 안테나 사용자, 대규모 지능표면(N개의 수동 반사 요소)로 구성된 다운링크 MU-MIMO 시스템을 수립한다.
• LIS를 신호를 반사할 때 제어 가능한 위상 이완을 적용하는 수동 어레이로 모델링하여 스마트한 전파 제어를 가능하게 한다.
• 기지국과 LIS 간 채널 질서의 두 경우를 분석한다: 질서 1(LoS 지배) 및 질서 최고(풍부한 산란)이다.
• 총 전송 전력 제약 조건 하에서 최소 SINR를 최대화하는 최적의 선형 전처리기(OLP)를 유도한다.
• 랜덤 행렬 이론을 활용하여 고질서도 채널 환경에서의 점근적 OLP 매개변수에 대한 정확한 결정론적 등가를 개발한다.
• 이 근사치를 사용하여 최악의 사용자 SINR을 향상시키기 위해 LIS 위상 행렬을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국-LIS 채널이 질서 1일 경우 LIS 보조 MU-MIMO 시스템에서 최소 SINR의 기본 한계는 무엇인가?
• RQ2 기지국-LIS 채널이 질서 1일 경우 사용자 수 K가 증가함에 따라 시스템 성능은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 고질서도 기지국-LIS 채널 환경에서 최적 전처리기의 결정론적 근사치를 도출할 수 있는가?
• RQ4 고질서도 환경에서 최소 사용자 SINR를 최대화하기 위해 LIS 위상 이완을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ5 LIS는 얼마나 적은 활성 안테나 수로도 막대한 MIMO 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 질서 1 기지국-LIS 채널 환경에서는 사용자 수 K가 1을 초과할 경우 최소 SINR가 점점 0에 수렴하는 값으로 제한된다.
• 고질서도 기지국-LIS 채널에서는 제안된 최적 전처리기 매개변수의 결정론적 근사치가 점근적 영역에서 매우 정확하다.
• 최적화된 LIS 위상 행렬은 최악의 사용자 SINR을 크게 향상시켜 강건한 다중 사용자 통신을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과는 LIS 보조 시스템이 활성 안테나 수가 훨씬 적은데도 불구하고 막대한 MIMO 성능과 유사한 스펙트럼 효율성을 달성함을 확인한다.
• 활성 RF 체인 대신 수동 반사 요소를 사용함으로써 기지국의 에너지 소비가 크게 절감된다.