[論文レビュー] Two-Timescale Design for Reconfigurable Intelligent Surface-Aided Massive MIMO Systems with Imperfect CSI

Kangda Zhi, Cunhua Pan+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 65被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、不完全なチャネル状態情報（CSI）を伴う再構成可能知能表面（RIS）支援の massive MIMO システムに対して、二段階時定数の伝送方式を提案する。基地局（BS）のビームフォーミングは即時のCSIに適応するが、RISの位相シフトはゆっくり変化する統計的CSIに基づいて最適化される。研究では、実現可能速率の閉形式下限を導出し、加速勾配上昇アルゴリズムを提案。RISをセルエッジユーザーに近接して設置することで、特に空間相関 fading および低EMI環境下でスペクトル効率の顕著な向上が得られることを示した。

ABSTRACT

This paper investigates the two-timescale transmission design for reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems, where the beamforming at the base station (BS) is adapted to the rapidly-changing instantaneous channel state information (CSI), while the passive beamforming at the RIS is adapted to the slowly-changing statistical CSI. Specifically, we first propose a linear minimum mean square error (LMMSE) estimator to obtain the aggregated channel from the users to the BS in each channel coherence interval. Based on the estimated channel, we apply the low-complexity maximal ratio combining (MRC) beamforming at the BS, and then derive the ergodic achievable rate in a closed form expression. To draw design insights, we perform a detailed theoretical analysis departing from the derived ergodic achievable rate. If the BS-RIS channel is Rician distributed, we prove that the transmit power can be scaled proportionally to $1/M$, as the number of BS antennas, $M$, grows to infinity while maintaining a non-zero rate. If the BS-RIS channel is Rayleigh distributed, the transmit power can be scaled either proportionally to $1/\sqrt{M}$ as $M$ grows large, or proportionally to $1/N$ as the number of reflecting elements, $N$, grows large, while still maintaining a non-zero rate. By capitalizing on the derived expression of the data rate under the statistical knowledge of the CSI, we maximize the minimum user rate by designing the passive beamforming at the RIS. Numerical results confirm that, even in the presence of imperfect CSI, the integration of an RIS in massive MIMO systems results in promising performance gains. In addition, the obtained results reveal that it is favorable to place the RIS close to the users rather than close to the BS.

研究の動機と目的

• 即時のCSIに基づくRISビームフォーミングに起因するパイロットオーバーヘッドおよびフィードバック信号の高さを解消すること。
• RISの位相シフトを統計的CSIを用いて最適化する二段階時定数設計を構築し、信号伝送のオーバーヘッドと複雑さを低減すること。
• 実際のチャネル推定およびハードウェアの欠陥を考慮した条件下で、空間相関および電磁干渉（EMI）がシステム性能に与える影響を分析すること。
• 不完全なCSIおよび現実的なシステム制約下で、最小ユーザー速率を効率的に最大化する最適化アルゴリズムを用いること。

提案手法

• 基地局の即時のCSI、RISの統計的CSIを用いた二段階時定数ビームフォーミングを備えたRIS支援 massive MIMO システムをモデル化する。
• 集約されたユーザーから基地局へのチャネルに対して線形最小平均二乗誤差（LMMSE）推定法を適用し、最大比率合成（MRC）検出を用いる。
• 空間的に独立および空間的に相関のあるRician fadingチャネルの両方に対して、実現可能速率の閉形式下限を導出する。
• 実世界の状況を反映させるために、電磁干渉（EMI）およびハードウェアの欠陥をシステムモデルに組み込む。
• 不完全なCSI下で最小ユーザー速率最大化問題を解くために、加速勾配上昇アルゴリズムを提案する。
• パワースケーリング則を分析し、RIS要素間隔やEMIレベルなどの主要パラメータの影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二段階時定数設計は、不完全なCSIを伴うRIS支援 massive MIMO システムにおいて、スペクトル効率をどのように向上させ、フィードバックオーバーヘッドを低減するか？
• RQ2 ユーザーが広大な領域に分散している場合とセルエッジユーザーに集中している場合とで、RIS設置による性能向上はどのように異なるか？
• RQ3 RIS要素間隔が大きく、EMIが弱い状況では、空間的に独立したRician fadingモデルはどれほど正確か？
• RQ4 独立したfadingと比較して、Rician fadingチャネルにおける空間相関は、ビームフォーミングゲインをどの程度向上させるか？
• RQ5 電磁干渉およびハードウェアの欠陥は、実現可能速率およびRIS位相シフトの設計にどのように影響を与えるか？

主な発見

• RIS要素間隔が大きく、EMIが弱い状況では、空間的に独立したRician fadingモデルは十分に正確であり、性能損失が顕著でないため、システム設計を単純化できる。
• 空間相関が存在する場合、RISは無線環境をより適切に調整でき、スペクトル効率およびユーザー間のデータレートの公平性が向上する。
• RISをセルエッジユーザーに近接して設置することで顕著な性能向上が得られるが、ユーザーが広範囲に分散している場合には僅かな改善にとどまる。
• 提案された加速勾配上昇アルゴリズムは、収束が早く、最小ユーザー速率最大化問題において高いスペクトル効率を達成する。
• 実現可能速率の閉形式下限はきわめてタイトであり、不完全なCSIおよびハードウェアの欠陥下でも、解析的最適化を可能にする。
• パワースケーリング則の分析から、特に高動的移動または高減衰環境下では、RIS設置によりユーザーあたりの送信パワーを顕著に低減できることが示された。