[論文レビュー] On the Performance Analysis of RIS-Empowered Communications Over Nakagami-m Fading

Dimitrios Selimis, Kostas P. Peppas+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2023

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 9

ひとこと要約

RISを活用した通信を Nakagami-m フェージング下でランダム位相シフティング（RPS）と最適位相シフティング（OPS）で分析し、 outage probability、BER、および ergodic capacity の式を導出するほか、厳密な大N近似と多様性次数の結果を、シミュレーションで検証する。

ABSTRACT

In this paper, we study the performance of wireless communications empowered by Reconfigurable Intelligent Surface (RISs) over Nakagami-m fading channels. We consider two phase configuration designs for the RIS, one random and another one based on coherent phase shifting. For both phase configuration cases, we present single-integral expressions for the outage probability and the bit error rate of binary modulation schemes, which can be efficiently evaluated numerically. In addition, we propose accurate closed-form approximations for the ergodic capacity of the considered system. For all considered metrics, we have also derived simple analytical expressions that become tight for large numbers of RIS reflecting elements. Numerically evaluated results compared with Monte Carlo simulations are presented in order to verify the correctness of the proposed analysis and showcase the impact of various system settings.

研究の動機と目的

• RISを、信頼性と効率のために無線環境を再構成する手段として動機づける。
• Nakagami-mフェージング下でRPSとOPS設計のデュアルホップRISシステムをモデル化する。
• バイナリ変調の outage probability と BER の厳密な単一積分表現を導出する。
• ergodic capacity の正確な閉形式近似と、大規模RIS素子数に対するスケーラブルな結果を提供する。

提案手法

• 式 (2) および (3) に示すように、RPS および OPS 設計のエンドツーエンドSNRを定式化する。
• ランダム位相因子の和と二重 Nakagami-m 振幅を用いて RPS 下のエンドツーエンド SNR の統計量を特性化し、Hankel変換とCHFに基づく反転を用いる。
• OPS のエンドツーエンド SNR のCDFとモーメントを、CHFベースの反転アプローチ（式 (9)）およびモーメント表現（式 (10)）を用いて導出する。
• 中心極限定理を適用して RIS和の大N近似を得、SNR統計量の非中心カイ二乗分布および関連形を導出する（式 (11)-(12)）。
• RPS の単一積分 BER 式（式 (15)）、OPS の CHFベース BER（式 (16) 的スタイル）と高SNRでの閉形式（RPS用）を提供する。
• 第1モーメントの周りでのテイラー展開によるECの正確な近似式（式 (17)）と、大N領域での閉形式（exp(1/(2σ1^2)) Γ(0,1/(2σ1^2))）を提示する。

Figure 1: OP and EC of RIS-empowered systems with RPS operating in a LOS environment with $K=10$ , as a function of $P$ for various values of $N$ . No direct link is present.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIS位相構成（RPS vs OPS）は Nakagami-mフェージング下で outage確率と BER にどう影響するか？
• RQ2 Nakagami-mチャネルを持つRIS支援システムの outage、BER、 ergodic capacity の正確な解析表現と実用的近似は何か？
• RQ3 両設計スキームで RIS素子数Nが指標にどうスケールし、得られる多様性次数は何か？
• RQ4 RPSの一様位相近似は厳密な位相分布に近い結果を生むか？

主な発見

• OPおよび EC 式は数値評価に適した単一積分形で得られる。
• BER 式は RPS（単一積分）と OPS（CHFベース）、高Nでは RPS の簡単な閉形式を持つ。
• RPS 下ではエンドツーエンド SNR は N に対して線形に増加するが、OPS では大N領域で二次的に増加。
• RPS の多様性次数は 1 で、N やフェージングパラメータに依存しない。一方 OPS は等ゲイン結合の多様性次数を、二重 Nakagami-m フェージングで: min(sum m_hn, sum m_gn) に従う。
• 正確な ergodic capacity 近似を RPS と OPS の両方に対して提示。高SNR=EC ~ log(ρ) + log(N Ω_h Ω_g) + 定数。
• 数値結果は解析結果を裏付け、均一位相近似は厳密な位相分布に密接に一致する。

Figure 2: Average BER of RIS-empowered systems with RPS and OPS, employing BPSK modulation and operating over Nakagami- $m$ fading, as a function of $P$ for various values $N$ , as well as $m_{h_{n}}=1.5$ and $m_{g_{n}}=2.5$ $\forall n\in\{1,2,\ldots,N\}$ .