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, interference channels are spatially correlated Rician fading channels, and the LIS experiences hardware impairments. 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 number of antennas and devices increase without bounds. Moreover, the derived ergodic rates show that hardware impairments, 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.

中文翻译：

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大型智能表面 (LIS) 的性能分析：渐近数据速率和通道硬化效应

大型智能表面 (LIS) 的概念最近已成为一种很有前途的无线通信范式，它可以利用人造结构的整个表面来传输和接收信息。LIS 有望超越大规模多输入多输出 (MIMO) 系统，因为所需的信道可以建模为完美的视线。要了解基本的性能优势，必须在实际 LIS 环境和限制下分析其可实现的数据速率。在本文中，提出了基于 LIS 的大型天线阵列系统中上行链路数据速率的渐近分析。特别是，渐近 LIS 速率是在实际无线环境中导出的，其中 LIS 上的估计信道受到估计误差的影响，干扰信道是空间相关的 Rician 衰落信道，并且 LIS 会遇到硬件损伤。此外，分析了通道硬化效应的发生，并渐近地推导出所考虑的 LIS 系统的性能界限。随着天线和设备的数量无限增加，分析渐近结果与确切的互信息非常吻合。此外，导出的遍历速率表明，随着天线数量的增加，硬件损伤、噪声和来自估计误差和非视距路径的干扰变得可以忽略不计。仿真结果表明，LIS 可以实现与传统大规模 MIMO 相当的性能，并具有更高的可靠性和显着减少的天线部署面积。并且 LIS 遇到硬件损伤。此外，分析了通道硬化效应的发生，并渐近地推导出所考虑的 LIS 系统的性能界限。随着天线和设备的数量无限增加，分析渐近结果与确切的互信息非常吻合。此外，导出的遍历速率表明，随着天线数量的增加，硬件损伤、噪声和来自估计误差和非视距路径的干扰变得可以忽略不计。仿真结果表明，LIS 可以实现与传统大规模 MIMO 相当的性能，并具有更高的可靠性和显着减少的天线部署面积。并且 LIS 遇到硬件损伤。此外，分析了通道硬化效应的发生，并渐近地推导出所考虑的 LIS 系统的性能界限。随着天线和设备的数量无限增加，分析渐近结果与确切的互信息非常吻合。此外，导出的遍历速率表明，随着天线数量的增加，硬件损伤、噪声和来自估计误差和非视距路径的干扰变得可以忽略不计。仿真结果表明，LIS 可以实现与传统大规模 MIMO 相当的性能，并具有更高的可靠性和显着减少的天线部署面积。分析了通道硬化效应的发生，并渐近地推导出所考虑的 LIS 系统的性能界限。随着天线和设备的数量无限增加，分析渐近结果与确切的互信息非常吻合。此外，导出的遍历速率表明，随着天线数量的增加，硬件损伤、噪声和来自估计误差和非视距路径的干扰变得可以忽略不计。仿真结果表明，LIS 可以实现与传统大规模 MIMO 相当的性能，并具有更高的可靠性和显着减少的天线部署面积。分析了通道硬化效应的发生，并渐近地推导出所考虑的 LIS 系统的性能界限。随着天线和设备的数量无限增加，分析渐近结果与确切的互信息非常吻合。此外，导出的遍历速率表明，随着天线数量的增加，硬件损伤、噪声和来自估计误差和非视距路径的干扰变得可以忽略不计。仿真结果表明，LIS 可以实现与传统大规模 MIMO 相当的性能，并具有更高的可靠性和显着减少的天线部署面积。随着天线和设备的数量无限增加，分析渐近结果与确切的互信息非常吻合。此外，导出的遍历速率表明，随着天线数量的增加，硬件损伤、噪声和来自估计误差和非视距路径的干扰变得可以忽略不计。仿真结果表明，LIS 可以实现与传统大规模 MIMO 相当的性能，并具有更高的可靠性和显着减少的天线部署面积。随着天线和设备的数量无限增加，分析渐近结果与确切的互信息非常吻合。此外，导出的遍历速率表明，随着天线数量的增加，硬件损伤、噪声和来自估计误差和非视距路径的干扰变得可以忽略不计。仿真结果表明，LIS 可以实现与传统大规模 MIMO 相当的性能，并具有更高的可靠性和显着减少的天线部署面积。随着天线数量的增加，来自估计误差和非视距路径的干扰变得可以忽略不计。仿真结果表明，LIS 可以实现与传统大规模 MIMO 相当的性能，并具有更高的可靠性和显着减少的天线部署面积。随着天线数量的增加，来自估计误差和非视距路径的干扰变得可以忽略不计。仿真结果表明，LIS 可以实现与传统大规模 MIMO 相当的性能，并具有更高的可靠性和显着减少的天线部署面积。