[論文レビュー] Non-Coherent Modulation for RIS-Empowered Multi-Antenna OFDM Communications

Kun Hu, George C. Alexandropoulos+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、チャネル状態情報（CSI）の必要性を排除することで、高速移動または急激に変化する fading 環境における訓練オーバーヘッドと複雑さを低減する、非coherentな微分位相シフトキーイング（DPSK）に基づくRIS支援多アンテナOFDMシステムを提案する。本システムは、現実的で理想的なチャネルモデル下での閉形式のSINRおよび符号誤り確率（SEP）式を用いて、時間変動的かつ相関のある状況下でもcoherentな手法を上回る頑健な性能を達成する。

ABSTRACT

The Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) constitutes one of the prominent technologies for the next 6-th Generation (6G) of wireless communications. It is envisioned to enhance signal coverage in cases where obstacles block the direct communication from Base Stations (BSs), and when high carrier frequencies are used that are sensitive to attenuation losses. In the literature, the exploitation of RISs is exclusively based on traditional coherent demodulation, which necessitates the availability of Channel State Information (CSI). Given the CSI, a multi-antenna BS or a dedicated controller computes the pre/post spatial coders and the RIS configuration. The latter tasks require significant amount of time and resources, which may not be affordable when the channel is time-varying or the CSI is not accurate enough. In this paper, we consider the uplink between a single-antenna user and a multi-antenna BS and present a novel RIS-empowered Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) communication system based on the differential phase shift keying, which is suitable for high noise and/or mobility scenarios. Considering both an idealistic and a realistic channel model, analytical expressions for the Signal-to-Interference and Noise Ratio (SINR) and the Symbol Error Probability (SEP) of the proposed non-coherent RIS-empowered system are presented. Our extensive computer simulation results verify the accuracy of the presented analysis and showcase the proposed system's performance and superiority over coherent demodulation in different mobility and spatial correlation scenarios.

研究の動機と目的

• RIS支援coherentシステムにおけるCSI推定のための高訓練オーバーヘッドと複雑さを解消すること、特に時間変動的または高速移動環境において。
• 受信機での即時のCSIを必要としない非coherentなRIS-OFDM通信システムの開発。
• 理想および現実的チャネルモデル下でのSINRおよびSEPの解析的表現を導出することにより、システム性能を評価すること。
• 移動性および空間相関に対して、非coherentデモジュレーションがcoherent手法を上回る頑健性を示すことを実証すること。

提案手法

• 受信機でのチャネル状態情報（CSI）の必要性を排除するため、微分位相シフトキーイング（DPSK）を用いて非coherentデモジュレーションを実装。
• 単一アンテナユーザーと多アンテナ基地局を想定したRIS支援上行リンクOFDMシステムをモデル化し、基地局-RISおよびRIS-ユーザー間リンクにレイリー fading を適用。
• スーパポジションの原理とレイリー分布のチャネル係数の統計的性質を用いて、平均干渉電力およびクロス項の閉形式表現を導出。
• 基地局アンテナとRIS素子の相関を統合するための共同空間相関モデルを導入し、ベクトル $ \tilde{\mathbf{a}}_n(c_\beta,r_\beta,c_\alpha r_\alpha) $ を用いて結合された空間応答を記述。
• チャネルゲイン $ |\alpha_n^{cr}|^2 $ および $ |\beta_n^{cr}|^2 $ の2次モーメントを用い、既知の平均および分散を持つ指数分布を仮定。
• チャネルゲインおよびアレイ応答ベクトルの積に関する代数的変形と期待値の計算を適用し、SINRおよびSEPの表現を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非coherentなRIS-OFDMシステムは、CSI推定やフィードバックを必要とせずに信頼性の高い通信を実現できるか？
• RQ2 高速移動または急激に変化する fading 環境において、提案された非coherentシステムの性能はcoherentシステムと比べてどうなるか？
• RQ3 現実的および理想的なチャネルモデル下でのRIS支援OFDMシステムにおけるSINRおよびSEPの解析的表現は何か？
• RQ4 基地局およびRISにおける空間相関、およびドップラー拡散は、非coherent RIS-OFDMシステムの誤り性能にどのように影響するか？
• RQ5 時間変動的かつ相関のあるチャネル下でも、提案されたシステムはcoherent手法に対して頑健性と性能向上を維持できるか？

主な発見

• 提案された非coherent RIS-OFDMシステムは、CSIを必要とせず信頼性の高い通信を達成し、訓練オーバーヘッドとシステム複雑さを顕著に低減する。
• SINRおよびSEPの閉形式表現が導出され、シミュレーションにより検証され、さまざまな移動性および相関状況下で高い精度を示す。
• チャネル推定誤差およびパイロットオーバーヘッドの感受性が低いため、高速移動環境下でcoherentデモジュレーションを上回る性能を示す。
• 特に強い空間相関および高いドップラー拡散下では、coherent手法がCSIの老化に起因して著しく性能を落とすのに対し、性能向上が顕著に現れる。
• 導出されたSINRおよびSEPの表現は、RIS設定、空間相関、ドップラー拡散がシステム性能に与える影響を正確に捉えている。
• シミュレーション結果は、非coherent方式が時間変動チャネルにおいて安定な誤りフロアを維持し、CSI依存のcoherent手法に比べて高いスペクトル効率を達成できることを確認している。