[论文解读] Performance Analysis of Large Intelligence 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参考文献 30被引用 19

一句话总结

本文分析了在存在信道估计误差和空间相关瑞利衰落的实际无线环境中，大规模智能表面（LIS）的上行链路数据速率性能。推导出的渐近遍历速率表明，随着LIS天线数量的增加，估计误差引起的噪声和干扰以及非视 Line-of-Sight（NLOS）路径的影响变得可忽略不计，证明LIS性能可与大规模MIMO相媲美，同时具备更小的硬件占用面积并提升可靠性。

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.

研究动机与目标

• 分析在存在真实信道损伤的实际无线环境中，基于LIS的系统在渐近上行链路数据速率的性能。
• 研究信道估计误差和空间相关瑞利衰落对LIS性能的影响。
• 研究LIS系统中信道硬化现象的发生及其影响。
• 推导性能界，以表征LIS在大规模部署中的基本性能极限。
• 通过将渐近分析结果与精确互信息进行对比，验证其收敛性，即随着系统规模增大，渐近结果趋近于精确值。

提出的方法

• 在不完美信道状态信息和空间相关瑞利衰落条件下，推导基于LIS的上行链路系统的渐近遍历速率。
• 将LIS信道建模为以视 Line-of-Sight（LOS）为主导的传播模型，包含附加的估计误差和非视 Line-of-Sight（NLOS）分量。
• 应用随机矩阵理论，分析当LIS阵元数量和用户设备数量趋于无穷大时系统的渐近行为。
• 通过研究大规模天线阵列下可实现速率的方差，表征信道硬化效应。
• 推导一个性能界，量化渐近速率向精确互信息收敛的程度。
• 通过仿真验证分析结果，将渐近速率与有限尺寸系统中的精确互信息进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 信道估计误差如何影响LIS系统中的渐近上行链路数据速率？
• RQ2 空间相关瑞利衰落对基于LIS的系统可实现速率和信道硬化有何影响？
• RQ3 随着LIS阵元数量的增加，非视 Line-of-Sight（NLOS）干扰和估计噪声在多大程度上被抑制？
• RQ4 在大规模LIS部署中，渐近遍历速率如何收敛到精确互信息？
• RQ5 LIS是否能在减小所需部署面积的同时，实现与传统大规模MIMO相当的性能？

主要发现

• 随着LIS阵元数量和用户设备数量的增加，本文推导出的渐近遍历速率与精确互信息高度吻合。
• 在渐近区域，由信道估计误差和非视 Line-of-Sight（NLOS）路径引起的噪声与干扰变得可忽略，表明系统具有稳健的性能扩展能力。
• LIS系统中存在信道硬化现象，即随着天线数量增加，可实现速率变得高度可预测且稳定。
• 为LIS系统推导出的性能界在大规模部署中能对真实系统容量提供紧密近似。
• 仿真结果证实，LIS在显著减小硬件占用面积的同时，实现了与传统大规模MIMO相当的性能，并提升了可靠性。
• 系统对实际损伤（如估计误差和相关衰落）表现出强鲁棒性，尤其在高维系统中更为显著。