[論文レビュー] Multi-Antenna Relaying and Reconfigurable Intelligent Surfaces: End-to-End SNR and Achievable Rate

Konstantinos Ntontin, Jaeyoung Song+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用数 35

ひとこと要約

この論文は、 relay-assisted および RIS-assisted 通信のエンドツーエンド SNR および実現可能レート式を導出し、HD/FD リレー（DF/AF）と anomalous reflection または diffuse scattering を用いた RIS 構成を、様々な CSI およびネットワーク設定の下で扱う。

ABSTRACT

In this report, we summarize the end-to-end signal-to-noise ratio and the rate of half-duplex, full-duplex, amplify-and-forward, and decode-and-forward relay-aided communications, and well as the signal-to-noise ratio and the rate of the emerging technology known as reconfigurable intelligent surfaces.

研究の動機と目的

• LOS がブロックされ得る高周波帯におけるリレーと RIS の実質的なエンドツーエンド性能利益を動機付け、定量化する。
• HD/FD リレー（DF/AF）および RIS アシストリンクに対するエンドツーエンド SNR の閉形式または半閉形式を提供する。
• RIS 位相最適化と RIS の動作モード（ anomalous reflection 対 diffuse scattering）が SNR とレートに与える影響を示す。
• 実現可能レートを最大化するためのソースとリレー間の電力配分の最適化手順を提供する。
• 実用的な劣化要因（自己干渉、ループバック等）を考慮したリレー基盤と RIS 基盤のアーキテクチャを比較する。

提案手法

• 単一アンテナの送信-受信ペアを N_R-アンテナのリレーまたは N_RIS要素の RIS により支援するモデルを用いる。
• DF および AF プロトコルを用いた HD/FD リレーのエンドツーエンド SNR 表現を導出し、リレーおよび受信機での MRC/MRT を組み込む。
• 受信機と直接経路および RIS 反射経路の coherent combining を最大化する最適な位相シフトを用いたRIS のエンドツーエンド SNR を導出する。
• RIS の regime を anomalous reflection（大きな要素）および diffuse scattering（拡散要素）として特徴づけ、経路損失モデルへの影響を示す。
• HD/FD リレーおよび RIS アシストリンクのための実現可能レート式と最適電力配分（p_S, p_R）を提供する。
• FD リレーの残留自己干渉やループバック効果など、現実的な干渉要因を組み込む。
• RIS がエンドツーエンド信号をコヒーレントに得るための位相一貫性条件を概説する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HD および FD リレーでの DF および AF プロトコルを用いたリンクのエンドツーエンド SNR はどのように表現できるか？
• RQ2 RIS 要素の最適な位相シフトはエンドツーエンド SNR またはレートを最大化するためにどのようになるか、RIS の regime（anomalous vs. diffuse）は性能にどのように影響するか？
• RQ3 HD/FD リレーと RIS シナリオでソースとリレー間の電力をどのように割り当てて実現可能レートを最大化すべきか？
• RQ4 FD リレーにおける自己干渉がエンドツーエンド性能に与える影響は何か、どのようにモデル化されるか？
• RQ5 従来のリレー支援リンクと RIS 支援リンクの理論的なエンドツーエンドレートは、異なる伝搬およびハードウェア仮定のもとでどのように比較されるか？

主な発見

• エンドツーエンド SNR の式は、HD/FD および DF/AF のプロトコルを跨いでリレー支援と RIS 支援の両方の通信に対して導出される。
• RIS のパフォーマンスは、直接経路と RIS 反射経路をコヒーレントに結合するよう位相シフトを設定することで最適化でき、最適位相の解析的形（CSI が知られている場合）を提供する。
• RIS の anomalous reflection および diffuse scattering の regime は異なる経路損失モデルと SNR スケーリングを生み出し、実現可能レート式に影響を与える。
• ソースとリレー間の最適な電力配分は、DF および AF の両方の HD/FD 実現可能レートを最大化するように計算できる。
• FD リレーはループバック自己干渉を導入し、それを SINR 式に組み込み、HD との性能比較に影響を与える。
• 論文は RIS ベースの構成と比較するための近似的な閉形式レート式と最適化戦略を提供する。