[논문 리뷰] Performance Analysis of Large Intelligence Surfaces (LISs): Asymptotic Data Rate and Channel Hardening Effects

Minchae Jung, Walid Saad외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 30인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 채널 추정 오차와 공간적으로 상관된 Rician fading을 고려한 실용적인 무선 환경에서 Large Intelligent Surfaces (LIS)의 업링크 데이터 전송률 성능을 분석한다. 비례적 평균 수신률를 도출하여, LIS 안테나 수가 증가함에 따라 추정 오차로 인한 노이즈와 간섭, 비라인오프사이트 경로가 점차 무시 가능해짐을 보여주며, 하드웨어 면적을 줄이고 신뢰성을 향상시킨 채 막대한 MIMO와 유사한 LIS 성능을 달성함을 입증한다.

ABSTRACT

The concept of a large intelligent surface (LIS) has recently emerged as a promising wireless communication paradigm that can exploit the entire surface of man-made structures for transmitting and receiving information. An LIS is expected to go beyond massive multiple-input multiple-output (MIMO) system, insofar as the desired channel can be modeled as a perfect line-of-sight. To understand the fundamental performance benefits, it is imperative to analyze its achievable data rate, under practical LIS environments and limitations. In this paper, an asymptotic analysis of the uplink data rate in an LIS-based large antenna-array system is presented. In particular, the asymptotic LIS rate is derived in a practical wireless environment where the estimated channel on LIS is subject to estimation errors and interference channels are spatially correlated Rician fading channels. Moreover, the occurrence of the channel hardening effect is analyzed and the performance bound is asymptotically derived for the considered LIS system. The analytical asymptotic results are then shown to be in close agreement with the exact mutual information as the numbers of antennas and devices increases without bounds. Moreover, the derived ergodic rates show that noise and interference from estimation errors and the non-line-of-sight path become negligible as the number of antennas increases. Simulation results show that an LIS can achieve a performance that is comparable to conventional massive MIMO with improved reliability and a significantly reduced area for antenna deployment.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 무선 환경에서 실제 채널 손상이 존재하는 LIS 기반 시스템의 점점 커지는 업링크 전송률을 분석하는 것.
• 채널 추정 오차와 공간적으로 상관된 Rician fading이 LIS 성능에 미치는 영향을 조사하는 것.
• LIS 시스템에서 발생하는 채널 하드닝의 원인과 함의를 검토하는 것.
• 대규모 배치 환경에서 LIS의 기본적인 성능 한계를 기술하는 성능 한계를 도출하는 것.
• 점점 커지는 시스템 차원에서 점점 커지는 전송률가 정확한 상호정보량과 수렴하는지 검증하는 것.

제안 방법

• 불완전한 채널 상태 정보와 공간적으로 상관된 Rician fading 조건 하에서 LIS 기반 업링크 시스템의 점점 커지는 평균 수신률를 유도한다.
• LIS 채널을 선형오버랩 주도 전파 모델로 모델링하며, 추가로 추정 오차와 비라인오프사이트 성분을 포함한다.
• 무한대에 수렴하는 LIS 요소 수와 사용자 장치 수를 고려해, 랜덤 행렬 이론을 적용하여 시스템의 점점 커지는 행동을 분석한다.
• 대규모 안테나 어레이 조건에서 가능 전송률의 분산을 분석하여 채널 하드닝 효과를 기술한다.
• 점점 커지는 전송률가 정확한 상호정보량으로 수렴하는 정도를 정량화하는 성능 한계를 도출한다.
• 유한 크기의 시스템에 대해 점점 커지는 전송률와 정확한 상호정보량을 비교하는 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 추정 오차는 LIS 시스템의 점점 커지는 업링크 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 공간적으로 상관된 Rician fading은 LIS 기반 시스템의 가능 전송률과 채널 하드닝에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LIS 요소 수가 증가함에 따라 비라인오프사이트 간섭과 추정 노이즈는 어느 정도 감소하는가?
• RQ4 대규모 LIS 배치에서 점점 커지는 평균 수신률가 정확한 상호정보량으로 수렴하는 방식은 어떠한가?
• RQ5 LIS는 설치 면적을 줄이며 막대한 MIMO와 유사한 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 논문에서 유도한 점점 커지는 평균 수신률는 LIS 요소 수와 사용자 장치 수가 증가함에 따라 정확한 상호정보량과 매우 유사해진다.
• 점점 커지는 영역에서 추정 오차로 인한 노이즈와 간섭, 비라인오프사이트 경로의 영향이 무시 가능해지며, 이는 안정적인 성능 스케일링을 의미한다.
• LIS 시스템에서 채널 하드닝이 발생하여, 안테나 수가 증가함에 따라 가능 전송률가 매우 예측 가능하고 안정해진다.
• LIS 시스템에 대해 도출된 성능 한계는 대규모 배치에서 실제 시스템 용량을 밀도 있게 근사한다.
• 시뮬레이션 결과는 LIS가 막대한 MIMO와 유사한 성능을 달성하지만, 하드웨어 면적은 크게 줄이고 신뢰성을 향상시킴을 확인한다.
• 특히 고차원 영역에서 추정 오차와 상관된 페이딩과 같은 실용적 손상에 대해 강력한 내성성을 보이며, 성능 저하가 거의 발생하지 않는다.