[论文解读] Asymptotic Analysis of Large Intelligent Surface Assisted MIMO Communication

Qurrat-Ul-Ain Nadeem, Abla Kammoun+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用 50

一句话总结

本文提出了一种大规模智能表面（LIS）辅助的MIMO系统，通过$N$个移相元件被动反射信号，提升了下行链路频谱效率，实现了类似大规模MIMO的性能，但使用的有源天线数量显著更少。针对基站与LIS之间为秩一和全秩视 Line-of-Sight（LoS）信道的情况，推导了渐近最优线性预编码与相位优化方案，表明即使在$K$增大时仍能获得SINR增益，仿真结果验证了显著的能耗降低，且性能可与大规模MIMO相媲美。

ABSTRACT

This work focuses on the downlink of a single-cell multi-user (MU) system in which a base station (BS) equipped with $M$ antennas communicates with $K$ single-antenna users through a large intelligent surface (LIS) installed in the line-of-sight (LoS) of the BS. LIS is envisioned to offer unprecedented massive multiple-input multiple-output (MIMO) like gains by utilizing $N$ passive reflecting elements that induce phase shifts on the impinging electromagnetic waves to smartly reconfigure the signal propagation environment. We study the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) achieved by the optimal linear precoder (OLP), that maximizes the minimum SINR subject to a given power constraint for any given LIS phase matrix, for the cases where the LoS channel matrix between the BS and the LIS is of rank-one and of full-rank. In the former scenario, the minimum SINR is bounded by a quantity that goes to zero with $K$. For the high-rank scenario, we develop accurate deterministic approximations for the parameters of the asymptotically OLP, which are then utilized to optimize the LIS phase matrix. Simulation results show that the LIS-assisted system can offer massive MIMO like gains with a much fewer number of active antennas, thereby significantly reducing the energy consumption at the BS.

研究动机与目标

• 分析单小区下行链路场景中大规模智能表面（LIS）辅助多用户MIMO系统的渐近性能。
• 研究在不同LIS相位矩阵配置下，最优线性预编码器（OLP）在功率约束下所能达到的最小信号干扰加噪声比（SINR）。
• 推导全秩LoS信道情况下渐近OLP参数的确定性近似，以实现高效的LIS相位矩阵优化。
• 证明LIS可在显著降低基站能耗的同时，实现类似大规模MIMO的频谱效率增益。
• 量化LIS信道秩（秩一与全秩）对系统性能及用户数$K$增加时SINR扩展特性的影响。

提出的方法

• 建模一个单小区多用户MIMO系统的下行链路，其中基站（BS）使用$M$个有源天线，服务$K$个单臂用户，由具有$N$个无源反射单元的大型智能表面（LIS）协助。
• 假设基站与LIS之间为视 Line-of-Sight（LoS）传播，二者之间的LoS信道矩阵为秩一或全秩。
• 分析在给定LIS相位矩阵下，最优线性预编码器（OLP）在总发射功率约束下所能达到的最小SINR。
• 利用随机矩阵理论，推导全秩情况下的渐近OLP参数的确定性等价形式，从而实现实际的相位优化。
• 提出一种基于所推导确定性近似的相位矩阵优化框架，以最大化最小SINR。
• 通过仿真验证理论结果，对比传统大规模MIMO在频谱效率与能量效率方面的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 当基站与LIS之间的LoS信道为秩一时，最小SINR随用户数$K$如何变化？
• RQ2 在基站与LIS之间为全秩LoS信道的场景下，最优线性预编码器（OLP）的渐近特性是什么？
• RQ3 能否在高信噪比与大$N$的条件下，为OLP参数推导出足够精确的确定性近似，以实现高效的LIS相位优化？
• RQ4 LIS辅助系统在基站有源天线数量显著减少的情况下，能在多大程度上实现类似大规模MIMO的频谱效率增益？
• RQ5 与传统大规模MIMO相比，LIS辅助系统的能量效率及SINR随$K$的扩展特性如何？

主要发现

• 在秩一LoS信道情况下，最优线性预编码器（OLP）所达到的最小SINR被一个随用户数$K$增加而趋于零的量所限制。
• 对于全秩LoS信道情况，本文推导出渐近OLP参数的精确确定性近似，从而实现了有效的相位矩阵优化。
• 所提出的LIS辅助系统即使在基站有源天线数量远少于传统系统的情况下，也能实现类似大规模MIMO的频谱效率增益。
• 仿真结果证实，LIS辅助系统显著降低了基站的能耗，同时保持了高谱效率。
• 通过优化LIS的相位偏移，可最大化最小SINR，且随着$K$增加，性能增益更加显著。
• 理论分析与仿真结果表明，LIS可通过重构无线传播环境，实现与大规模MIMO相当的性能，同时显著降低硬件成本与功耗。