[论文解读] Large Intelligent Surface-Based Index Modulation: A New Beyond MIMO Paradigm for 6G

Ertuğrul Başar|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 34

一句话总结

本文提出LIS-SSK与LIS-SM两种新型索引调制方案，利用大智能表面（LIS）提升6G系统中的频谱效率与可靠性。通过结合智能反射与接收天线索引的索引调制，该方案实现了高谱效率与超可靠通信，经由最优与次优检测方法及理论误比特率分析验证。

ABSTRACT

Transmission through large intelligent surfaces (LIS), which modify the phases of incident waves in a deliberate manner to enhance the signal quality at the receiver, has been recently put forward as a promising candidate for future wireless communication systems and standards. In this paper, we bring the concept of LIS-assisted communications to the realm of index modulation (IM) by proposing LIS-space shift keying (LIS-SSK) and LIS-spatial modulation (LIS-SM) schemes. These two schemes are realized through not only intelligent reflection of the incoming electromagnetic waves to improve the signal quality at the receiver but also utilization of the IM principle for the indices of multiple receive antennas in a clever way to improve the spectral efficiency. Maximum energy-based suboptimal (greedy) and exhaustive search-based optimal (maximum likelihood) detectors of the LIS-SSK/SM schemes are formulated and a unified framework is presented for the derivation of the theoretical average bit error probability of the proposed schemes using both detectors. Extensive computer simulation results are provided to assess the potential of LIS-assisted IM schemes as well as to verify our theoretical derivations and remarks. Our findings also reveal that LIS-based IM, which enables ultra-reliable transmission with high spectral efficiency, can become a potential candidate for future wireless communication systems in the context of beyond massive multiple-input multiple-output (MIMO) solutions.

研究动机与目标

• 为解决未来6G无线系统在超越大规模MIMO之后对更高谱效率与可靠性的需求。
• 克服传统MIMO与索引调制的局限性，通过将大智能表面（LIS）集成到索引调制中。
• 提出新型LIS辅助的索引调制方案——LIS-SSK与LIS-SM，同时利用波前调控与天线索引选择。
• 开发最优（最大似然）与次优（基于最大能量的贪心）检测技术以适用于所提出的方案。
• 推导LIS-SSK与LIS-SM在两种检测方法下的统一理论框架，用于平均误比特概率分析。

提出的方法

• 提出LIS-SSK与LIS-SM作为新型调制方案，结合大智能表面的智能反射与多接收天线的索引调制。
• 通过LIS上的智能相位移控制，实现信号波束成形与增强，提升信噪比与可靠性。
• 利用激活接收天线的索引作为承载信息的符号，从而在不增加带宽的前提下提升谱效率。
• 设计基于最大能量的次优检测器，通过选择接收能量最高的天线索引实现低复杂度检测。
• 开发基于穷举搜索的最优检测器，通过评估所有可能的天线索引组合以最小化误比特概率。
• 利用两种检测方法推导LIS-SSK与LIS-SM的统一理论表达式，用于平均误比特概率分析与性能比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将大智能表面与索引调制结合，以提升6G系统中的频谱效率？
• RQ2 LIS-SSK与LIS-SM相较于传统MIMO与索引调制方案的性能增益为何？
• RQ3 最优与次优检测技术如何影响LIS-基索引调制的误比特率与复杂度？
• RQ4 统一的理论框架能否准确建模LIS-SSK与LIS-SM在两种检测策略下的平均误比特概率？
• RQ5 LIS辅助的索引调制作为超越大规模MIMO的解决方案，在未来无线网络中具有何种潜力？

主要发现

• LIS-SSK与LIS-SM通过同时利用智能反射与天线索引选择，实现高谱效率，可在不增加带宽的情况下实现数据传输。
• 所提方案由于LIS上智能相位控制带来的信号质量提升，表现出超可靠通信特性。
• 理论分析证实所推导的平均误比特概率表达式具有准确性，经大量计算机仿真验证。
• 次优的最大能量检测器在性能与复杂度之间取得良好折中，性能接近最优最大似然检测器。
• 仿真结果表明，LIS-基索引调制在谱效率与可靠性方面优于传统MIMO与索引调制方案。
• 统一框架实现了LIS-SSK与LIS-SM在不同检测策略下的性能一致性评估与比较。