[论文解读] Large Intelligent Surface-Assisted Wireless Communication Exploiting Statistical CSI

Yu Han, Wankai Tang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 6被引用 26

一句话总结

本文提出了一种基于统计信道状态信息（CSI）的大型智能表面（LIS）辅助大规模MIMO系统最优相位移位设计，旨在最大化瑞利衰落下的遍历容量。该文推导出一个紧致的遍历容量近似，并证明2比特相位移位量化可确保容量退化低于1 bit/s/Hz，使硬件实现更加高效且实用。

ABSTRACT

Large intelligent surface (LIS)-assisted wireless communications have drawn attention worldwide. With the use of low-cost LIS on building walls, signals can be reflected by the LIS and sent out along desired directions by controlling its phases, thereby providing supplementary links for wireless communication systems. In this study, we evaluate the performance of an LIS-assisted large-scale antenna system by formulating a tight approximation of the ergodic capacity and investigate the effect of the phase shifts on the ergodic capacity in different propagation scenarios. In particular, we propose an optimal phase shift design based on the ergodic capacity approximation and statistical channel state information. Furthermore, we derive the requirement on the quantization bits of the LIS to promise an acceptable capacity degradation. Numerical results show that using the proposed phase shift design can achieve the maximum ergodic capacity, and a 2-bit quantizer is sufficient to ensure capacity degradation of no more than 1 bit/s/Hz.

研究动机与目标

• 评估在瑞利衰落条件下LIS辅助大规模天线系统下的遍历容量。
• 基于仅有的统计CSI，开发一种最大化遍历容量的最优相位移位设计，避免瞬时CSI反馈。
• 确定LIS相位移位所需最小量化比特数，以将容量退化限制在可接受水平。
• 验证遍历容量近似的紧致性，并证明所提设计相较于随机相位移位的优越性。

提出的方法

• 基于随机矩阵理论，推导出在瑞利衰落下LIS辅助大规模MIMO系统遍历容量的紧致近似。
• 基于遍历容量近似和统计CSI，提出一种以最大化容量为目标的最优相位移位设计。
• 推导出将遍历容量退化限制在1 bit/s/Hz以内的量化比特数（B）的理论下界。
• 通过10,000次信道实现的蒙特卡洛仿真，验证遍历容量近似的准确性。
• 比较最优相位移位、随机相位移位及瑞利衰落条件下的性能，以证明所提设计的有效性。
• 分析系统参数（信噪比、阵列尺寸M、LIS尺寸N、瑞利衰落因子K）对所需量化比特数的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LIS辅助大规模MIMO系统中，所提出的遍历容量近似在瑞利衰落下的准确性如何？
• RQ2 当仅有统计CSI可用时，最大化遍历容量的最优相位移位配置是什么？
• RQ3 LIS相位移位需要多少量化比特，才能确保容量退化低于1 bit/s/Hz？
• RQ4 与随机相位移位相比，最优相位移位设计在遍历容量方面的性能表现如何？
• RQ5 如发射功率、阵列尺寸和瑞利衰落因子等系统参数，对所需量化分辨率有何影响？

主要发现

• 所提出的遍历容量近似与蒙特卡洛仿真结果高度吻合，且随着瑞利衰落因子K的增加，两者差距进一步缩小。
• 基于统计CSI的最优相位移位设计显著优于随机相位移位，尤其在LIS元素数量增加时优势更明显。
• 在瑞利衰落条件下，随机相位移位可能导致性能低于瑞利衰落本身，凸显智能相位控制的重要性。
• 采用2比特相位移位量化时，遍历容量退化可保证低于1 bit/s/Hz，理论分析与仿真结果均证实了这一点。
• 随着发射功率增加、基站阵列尺寸（M）或LIS孔径（N）增大，所需量化比特数减少，表明硬件敏感度降低。
• 理论推导出当ξ = 1且P = 0 dB时B ≥ 2比特的要求得到验证，且在功率和阵列尺寸增加时，性能退化仍保持在1 bit/s/Hz以内。