[论文解读] Large Intelligent Surface Assisted MIMO Communications

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

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 65

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，其中多天线基站通过一个可重构无线传播的无源LIS与单天线用户通信。该文推导了最优线性预编码以最大化最小SINR，表明LIS可在远少于传统主动天线数量的情况下实现类似大规模MIMO的频谱效率，从而大幅降低能耗。

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. 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 $K > 1$. 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

• 研究在功率约束下LIS辅助下行MIMO系统的最小SINR性能极限。
• 分析LIS相位偏移对系统频谱效率和干扰管理的影响。
• 在高秩LoS信道场景下，为最优预编码推导确定性近似。
• 优化LIS相位矩阵以最大化最小用户SINR。
• 证明LIS可在显著减少主动天线数量和能耗的前提下实现类似大规模MIMO的性能。

提出的方法

• 建立下行多用户MIMO系统模型，包含一个M根天线的基站、K个单天线用户以及一个具有N个无源反射单元的大规模智能表面（LIS）。
• 将LIS建模为可控制相移的无源阵列，通过反射信号实现智能传播调控。
• 分析两种信道秩情形：基站-LIS间为秩一（LoS主导）和全秩（富散射）信道。
• 在总发射功率约束下，推导出最大化最小SINR的最优线性预编码器（OLP）。
• 利用随机矩阵理论，为高秩场景下的渐近OLP参数建立高精度确定性等价形式。
• 利用这些近似结果，优化LIS相位矩阵以提升最坏情况下的用户SINR。

实验结果

研究问题

• RQ1 当基站-LIS信道为秩一时，LIS辅助MU-MIMO系统的最小SINR是否存在基本限？
• RQ2 当基站-LIS信道为秩一时，系统性能如何随用户数K变化？
• RQ3 在高秩基站-LIS信道情况下，能否推导出最优预编码器的确定性近似？
• RQ4 在高秩场景下，如何优化LIS相位偏移以最大化最小用户SINR？
• RQ5 LIS在显著减少主动天线数量的前提下，能在多大程度上实现类似大规模MIMO的频谱效率？

主要发现

• 在基站-LIS信道为秩一的情况下，最小SINR受到一个随用户数K超过1而趋近于零的上界限制。
• 在高秩基站-LIS信道场景下，所提出的最优预编码参数的确定性近似在渐近区域内具有高度准确性。
• 经优化的LIS相位矩阵显著提升了最坏情况下的用户SINR，从而支持鲁棒的多用户通信。
• 仿真结果表明，LIS辅助系统在频谱效率上可媲美大规模MIMO，但基站的主动天线数量显著减少。
• 由于采用无源反射单元替代主动射频链路，系统在基站端实现了显著的能耗降低。