[論文レビュー] Accurate Closed-Form Approximations to Channel Distributions of RIS-Aided Wireless Systems

Liang Yang, Fanxu Meng+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 16被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、反射素子数が少ない場合における非中心カイ二乗分布（NCCS）の限界を克服するため、小引数近似（SAA）を用いて、再構成可能知的表面（RIS）を支援する無線システムのチャネル分布に対する高精度な閉形式近似を提案する。具体的には、デュアルホップ（RIS-DH）およびRIS支援送信（RIS-T）方式を対象としている。主な貢献は、任意のNに対して近似がきわめて良好である点であり、RIS-DHでは$N-1 < G_d < N$、RIS-Tでは$G_d = N$の分岐次数を得られ、両方の方式とも多重子スループットゲインがなく、分岐ゲインのみを達成する。

ABSTRACT

This paper proposes highly accurate closed-form approximations to channel distributions of two different reconfigurable intelligent surface (RIS)-based wireless system setups, namely, dual-hop RIS-aided (RIS-DH) scheme and RIS-aided transmit (RIS-T) scheme. Differently from previous works, the proposed approximations reveal to be very tight for arbitrary number $N$ of reflecting metasurface's elements. Our findings are then applied to the performance analysis of the considered systems, in which the outage probability, bit error rate, and average channel capacity are derived. Results show that the achievable diversity orders $G_d$ for RIS-DH and RIS-T schemes are $N-1

研究の動機と目的

• 反射素子数（N）が少ない場合におけるRISチャネル統計のNCCS分布近似の不正確さを是正すること。
• NCCSの中心極限定理に基づく限界を克服し、任意のNに対して正確な閉形式近似を構築すること。
• RIS支援システムの性能分析（アウトージ確率、ビット誤り率（BER）、平均チャネル容量）を高精度で行えるようにすること。
• 提案された近似に基づき、RIS-DHおよびRIS-T方式の分岐および多重子スループットゲインを特徴づけること。

提案手法

• RIS支援システムのチャネル分布をモデル化するため、確率密度関数の和に対する小引数近似（SAA）を用いる。
• 提案された近似を用いて、アウトージ確率、平均BER、および平均チャネル容量の閉形式式を導出する。
• RIS-DHおよびRIS-T両システムにおけるエンドツーエンドSNRの正確な近似として、平方G_K分布を適用する。
• 両方式の実現可能な分岐次数を特定するための漸近的解析を実施する。
• さまざまなSNR領域およびNの値において、数値的シミュレーションを通じて解析結果の妥当性を検証する。
• RIS-Tケースにおける平均容量を閉形式で表現するために、指数積分関数および一般化ラゲール多項式を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の反射素子数（特にNが小さい場合）に対して、RIS支援システムのチャネル分布をどのように高精度に近似できるか。
• RQ2 正確なチャネルモデルのもとで、RIS-DHおよびRIS-Tシステムの実現可能な分岐および多重子スループットゲインは何か。
• RQ3 アウトージ確率およびBERの観点から、広く用いられている非中心カイ二乗（NCCS）分布と比較して、提案された近似はどの程度の精度を示すか。
• RQ4 反射素子数NがRIS支援システムにおける平均チャネル容量および分岐次数に与える影響は何か。
• RQ5 提案された近似フレームワークのもとで、アウトージ、BER、容量といった主要な性能指標の閉形式式を導出できるか。

主な発見

• 提案されたチャネル分布の閉形式近似は、NCCS分布よりも著しく正確であり、特にNが小さい場合にシミュレーション結果で確認された。
• RIS-DH方式の実現可能な分岐次数は$N-1 < G_d < N$であり、これは1つの自由度を持つキーホールMIMOチャネルと同様に振る舞うことを示している。
• RIS-T方式の実現可能な分岐次数は$G_d = N$であり、これは送信分岐構造として動作することを示している。
• RIS-DHおよびRIS-T両方式とも、容量曲線の傾きがNに依存せず一定であることに基づき、多重子スループットゲインがなく、分岐ゲインのみを達成している。
• 両方式の平均チャネル容量式はきわめてタイトであり、シミュレーション結果とよく一致しており、RIS-Tケースには閉形式の上界も提示された。
• 提案された近似は、解析的およびシミュレーション結果の両方において、アウトージ、BER、容量のすべての指標で極めて高い一貫性を示し、性能解析を高精度に可能にする。