[論文レビュー] Multi-RIS-aided Wireless Systems: Statistical Characterization and Performance Analysis

Tri Nhu, Georges Kaddoum+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、異なるサイズの分散型RISと独立同分布でない（i.n.i.i.d.）フェージングチャネルを有するマルチ再構成可能知能表面（RIS）支援無線システムの統計的特徴付けを提案する。モーメント法を用いて、エンドツーエンドチャネル分布の近似閉形式式を導出しており、チャネル位相の分布がガンマ分布または対数正規分布に適合することを示している。また、オーバーサンプルRIS支援（ERA）方式は、アウトージェ確率およびエルゴディック容量において、オポチュニスティックRIS支援（ORA）方式を上回ることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we study the statistical characterization and modeling of distributed multi-reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided wireless systems. Specifically, we consider a practical system model where the RISs with different geometric sizes are distributively deployed, and wireless channels associated to different RISs are assumed to be independent but not identically distributed (i.n.i.d.). We propose two purpose-oriented multi-RIS-aided schemes, namely, the exhaustive RIS-aided (ERA) and opportunistic RIS-aided (ORA) schemes. A mathematical framework, which relies on the method of moments, is proposed to statistically characterize the end-to-end (e2e) channels of these schemes. It is shown that either a Gamma distribution or a Log-Normal distribution can be used to approximate the distribution of the magnitude of the e2e channel coefficients in both schemes. With these findings, we evaluate the performance of the two schemes in terms of outage probability (OP) and ergodic capacity (EC), where tight approximate closed-form expressions for the OP and EC are derived. Representative results show that the ERA scheme outperforms the ORA scheme in terms of OP and EC. In addition, under i.n.i.d. fading channels, the reflecting element settings and location settings of RISs have a significant impact on the system performance of both the ERA or ORA schemes.

研究の動機と目的

• 実用的環境下における、分散型で非同一のRISを有するマルチRIS支援システムの統計的モデリングの不足に対処すること。
• i.n.i.i.d.フェージング条件下でのエンドツーエンド（e2e）チャネル統計を特徴付けるための数学的フレームワークの構築。
• 実用的な2つのマルチRIS方式、すなわちエクhaustive RIS支援（ERA）方式とオポチュニスティックRIS支援（ORA）方式の提案と比較。
• アウトージェ確率（OP）およびエルゴディック容量（EC）といった主要な性能指標のタイトな近似閉形式式の導出。
• i.n.i.i.d.フェージング下でのRIS反射素子の設定および配置位置がシステム性能に与える影響の定量化。

提案手法

• マルチRISシステムにおけるi.n.i.i.d.レイノールドフェージングを有するエンドツーエンドチャネル位相の統計的特徴付けにモーメント法を適用する。
• 級数展開とポッホハマー記号を用いて、e2eチャネル係数の近似モーメント生成関数（MGF）を導出する。
• ラウリセール関数タイプAを用いてMGFを閉形式で表現し、チャネル分布の統計的近似を可能にする。
• モーメントマッチングに基づき、e2eチャネル位相に対してガンマ分布および対数正規分布を近似として用いる。
• 導出したMGFおよび分布近似を用いて、アウトージェ確率およびエルゴディック容量のタイトな閉形式式を導出する。
• 異なるRIS構成における性能指標の比較を通じて、解析的フレームワークの妥当性を数学的導出により検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 i.n.i.i.d.フェージングチャネルを有するマルチRISシステムにおいて、エンドツーエンドチャネル位相の分布をどのように統計的に特徴付けることができるか？
• RQ2 アウトージェ確率およびエルゴディック容量という観点から、エクハウスティブRIS支援（ERA）方式とオポチュニスティックRIS支援（ORA）方式の性能差は何か？
• RQ3 RIS反射素子の数および配置位置が、i.n.i.i.d.フェージング下でのシステム性能にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 マルチRISシステムにおいて、エンドツーエンドチャネル位相は、ガンマ分布または対数正規分布で正確に近似可能か？
• RQ5 RISの幾何学的形状およびチャネル相関性は、マルチRIS支援システムの統計的モデリングにどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• ERAおよびORA方式の両方において、モーメントマッチングを用いることで、エンドツーエンドチャネル位相がガンマ分布または対数正規分布で正確に近似可能である。
• エクハウスティブRIS支援（ERA）方式は、オポチュニスティックRIS支援（ORA）方式に比べ、低いアウトージェ確率および高いエルゴディック容量を達成する。
• モーメント法およびラウリセール関数表現を用いて、アウトージェ確率およびエルゴディック容量のタイトな閉形式式が導出された。
• 反射素子の設定およびRISの配置位置は、i.n.i.i.d.フェージング条件下でシステム性能に顕著な影響を及ぼす。
• 導出したMGF式により、モンテカルロシミュレーションに依存せずに正確な性能評価が可能である。
• 近似の精度は数学的導出およびモーメントマッチング技術により検証されており、システム設計に信頼性をもたらす。