[論文レビュー] Performance Analysis of Large Intelligent Surfaces (LISs): Asymptotic Data Rate and Channel Hardening Effects

Minchae Jung, Walid Saad+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、チャネル推定誤差、空間相関Rician fading、ハードウェア劣化などの実用的制約を考慮した上行リンクの巨大MIMO型システムにおける大型知能表面（LIS）の漸近的性能解析を提示する。漸近的エゴイストレートレートを導出し、LIS要素数が増加するにつれてチャネルハーデニングが生じることを示し、大スケール領域においてノイズや干渉の影響が無視できるほど小さくなることを明らかにする。

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.

研究の動機と目的

• チャネル推定誤差やハードウェア劣化を含む現実的な条件下におけるLISベースのシステムの上行リンクエゴイストレートレートを分析すること。
• アンテナ数の増加に伴いLISシステムにチャネルハーデニングがどのように現れるかを調査すること。
• 空間的相関Rician fadingやパイロット汚染といった実装制約を反映する漸近的性能バウンズを導出すること。
• 大スケール極限における正確な相互情報量と比較して、漸近的近似の正確性を検証すること。
• LISの性能を従来の巨大MIMOと比較し、信頼性の向上と設置面積の削減という利点を強調すること。

提案手法

• 不完全なチャネル状態情報とハードウェア劣化を想定した大システム解析を用いて、LISシステムの漸近的上行リンクエゴイストレートレートを導出する。
• 目的信号および干渉チャネルを空間的相関Rician fadingとしてモデル化し、近距離配置のためライン・オブ・サイト（LOS）成分が支配的であることを想定する。
• ライン・オブ・サイト（LOS）成分と非ライン・オブ・サイト（NLOS）成分を組み合わせた複合チャネルモデルを導入し、推定誤差は相関に基づくフレームワークでモデル化する。
• パイロット汚染およびRayleigh fading成分に対して複素正規分布近似を適用し、受信信号電力のモーメントを計算する。
• モーメント生成関数の技法と中心極限定理の議論を用いて、信号対干渉加算ノイズ比（SINR）の漸近的挙動を導出する。
• LIS要素数の増加に伴い、有効チャネルゲインの分散が消滅することを示し、チャネルハーデニング効果が確認される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIS要素数の増加に伴い、LISシステムのエゴイストレートレートはどのように漸近的にスケーリングするか？
• RQ2 チャネル推定誤差およびハードウェア劣化は、LISシステムにおける実現可能レートにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 LISベースのシステムにおいて、どのような条件下でチャネルハーデニング効果が現れるか？
• RQ4 空間的相関Rician fadingおよび非ライン・オブ・サイト成分は、大スケール領域におけるシステム性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 レート、信頼性、設置面積の観点から、LISの性能は従来の巨大MIMOと比べてどのように異なるか？

主な発見

• LIS要素数の増加に伴い、漸近的エゴイストレートレートは確定的値に収束し、チャネルハーデニングの発現が確認される。
• ハードウェア劣化、ノイズ、推定誤差由来の干渉は大スケール領域において無視できるようになり、その相対的影響は $\mathcal{O}(1/M)$ で減少する。
• 導出された漸近的レートは正確な相互情報量とよく一致し、大 $M$ における解析的近似の妥当性が裏付けられる。
• 干渉相関の主な寄与要因は、干渉チャネルのLOS成分であり、これがチャネルハーデニング効果を駆動している。
• シミュレーション結果から、LISは巨大MIMOと同等の性能を達成するが、設置面積を著しく削減でき、信頼性も向上することが示された。
• 有効チャネルゲインの分散は $M$ の増加に伴い減少し、漸近的極限では確定的有効チャネルが得られる。