[論文レビュー] A Novel Physics-based Channel Model for Reconfigurable Intelligent Surface-assisted Multi-user Communication Systems

Jiaqi Xu, Yuanwei Liu|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 27被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知的表面（RIS）と散乱環境を統合的システムとしてモデル化することにより、RIS支援マルチユーザー通信システムにおける物理的ベースのRician fadingチャネルモデルを提案する。Rician分布の形状および尺度係数の解析的表現を導出し、平均受信電力がRIS素子数および位相量子化レベルに比例することを示し、RISサイズに依存しない定常的な分岐次数を証明した。シミュレーションにより、位相配列RISにおいてその有効性が検証された。

ABSTRACT

The reconfigurable intelligent surface (RIS) is one of the promising technologies contributing to the next generation smart radio environment. A novel physics-based RIS channel model is proposed. Particularly, we consider the RIS and the scattering environment as a whole by studying the signal's multipath propagation, as well as the radiation pattern of the RIS. The model suggests that the RIS-assisted wireless channel can be approximated by a Rician distribution. Analytical expressions are derived for the shape factor and the scale factor of the distribution. For the case of continuous phase shifts, the distribution depends on the number of elements of the RIS and the observing direction of the receiver. For the case of continuous phase shifts, the distribution further depends on the quantization level of the RIS phase error. The scaling law of the average received power is obtained from the scale factor of the distribution. For the application scenarios where RIS functions as an anomalous reflector, we investigate the performance of single RIS-assisted multiple access networks for time-division multiple access (TDMA), frequency-division multiple access (FDMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA). Closed-form expressions for the outage probability of the proposed channel model are derived. It is proved that a constant diversity order exists, which is independent of the number of RIS elements. Simulation results are presented to confirm that the proposed model applies effectively to the phased-array implemented RISs.

研究の動機と目的

• RISおよび散乱環境の電磁的挙動を統合的システムとして捉える物理的ベースのチャネルモデルの開発。
• 連続的および量子化されたRIS位相シフトが、全体のチャネルの統計的分布に与える影響の分析。
• RIS支援マルチユーザーシステムにおけるRicianフェージング分布の形状および尺度係数の解析的表現の導出。
• 提案モデルを用いて、TDMA、FDMA、NOMAにおけるRIS支援ネットワークの性能を、アウトージ確率に焦点を当てて調査。
• 導出されたチャネルモデルパラメータに基づく平均受信電力のスケーリング則の確立。

提案手法

• マルチパス伝搬および放射パターンを捉えるために、RISと周囲の散乱環境を一つの電磁的システムとしてモデル化。
• 送信機からRIS、およびRISから受信機への半チャネルを組み合わせることで、全体のチャネル応答を導出。この際、位相シフト設定を組み込む。
• 受信信号のエンVELOープをモデル化するため、Nakagami-m分布理論を適用し、Ricianフェージング近似に至る。
• 大規模なRISおよびマルチパス条件の下で、受信信号の同調成分および正交成分を中央極限定理を用いてモデル化。
• 位相量子化誤差を考慮した有効形状係数 $ K^{Eff} $ および尺度係数 $ ilde{ heta}_p $ の閉形式表現を導出。
• 導出されたモデルに基づき、TDMA、FDMA、NOMAにおけるアウトージ確率を分析し、定常的な分岐次数を証明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチパス伝搬および放射パターンの両方の効果が重畝された状態における、RIS支援チャネル応答の挙動はいかなるものか？
• RQ2 全体のRISチャネルの統計的分布は何か？ その形状および尺度係数は、RISサイズおよび位相シフト設定にどのように依存するか？
• RQ3 位相量子化誤差は、Ricianフェージングパラメータおよびそれによるアウトージ性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 平均受信電力のスケーリング則は、RIS素子数および位相量子化レベルに関してどのように表されるか？
• RQ5 RIS支援システムの分岐次数は、RIS素子数にかかわらず一定のままであるか？

主な発見

• RIS支援チャネルは、RISサイズおよび位相シフトタイプに基づいて解析的に導出された形状および尺度係数を有するRicianフェージング分布として正確にモデル化可能である。
• 連続的位相シフトの下では、尺度係数はRIS素子数および受信機の観測方向に依存する。
• 量子化位相シフトの下では、尺度係数はさらに位相量子化レベルに依存し、有効形状係数 $ K^{Eff} $ は量子化分解能のsinc関数で表される。
• 平均受信電力はRIS素子数 $ M $ に比例し、尺度係数 $ ilde{ heta}_p $ から導出されたスケーリング則が成立する。
• システムの分岐次数は定常的であり、RIS素子数に依存しない。これは、システム設計において重要な知見である。
• シミュレーション結果により、位相配列で実装されたRISにおいて、モデルの正確性が確認され、TDMA、FDMA、NOMAの各シナリオにおいて理論的導出が妥当であることが検証された。