[論文レビュー] Outage Probability and Capacity Scaling Law of Multiple RIS-Aided Cooperative Networks

Liang Yang, Yin Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、複数の再構成可能インテリジェント表面（RIS）によって強化されたデュアルホップ協調ネットワークを調査しており、最高の瞬時エンドツーエンド信号対ノイズ比（SNR）を示すRISが通信を支援するように選択される。本稿では、 outage probability と sum-rate について正確な式および漸近的式を導出し、RISの数（K）と1つのRISあたりの反射素子数（N）の積に比例して分岐利得が増加することを示す容量スケーリング則を確立している。これにより、アンプリファイ・アンド・フォワードリレーシング方式よりも優れた性能を示している。

ABSTRACT

In this letter, we consider a dual-hop cooperative network assisted by multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs). Assuming that the RIS with the highest instantaneous end-to-end signal-to-noise ratio (SNR) is selected to aid the communication, the outage probability (OP) and average sum-rate are investigated. Specifically, an exact analysis for the OP is developed. In addition, relying on the extreme value theory, closed-form expressions for the asymptotic OP and asymptotic sum-rate are derived, based on which the capacity scaling law is established. Our results are corroborated through simulations and insightful discussions are provided. In particular, our analysis shows that the number of RISs as well as the number of reflecting elements play a crucial role in the capacity scaling law of multiple RIS-aided cooperative networks. Also, comparisons with relay-aided systems are carried out to demonstrate that the proposed system setup outperforms relaying schemes both in terms of the OP and average sum-rate.

研究の動機と目的

• 複数のRISによって支援されるデュアルホップ協調ネットワークにおける outage probability と平均 sum-rate を分析すること。
• 極値理論を用いて、outage probability と sum-rate の正確な式および漸近的式を導出すること。
• 複数のRISを用いたシステムの容量スケーリング則を確立すること。
• 提案されたRIS支援システムの性能を従来のデコードアンドフォワードリレーシング方式と比較すること。
• RISの数（K）と1つのRISあたりの反射素子数（N）が、システムの分岐利得およびスペクトル効率に与える影響を定量化すること。

提案手法

• システムモデルは、完全なチャネル状態情報（CSI）を仮定し、エンドツーエンドSNRが最大となるRISを選択して通信を支援する。
• エンドツーエンドSNRは、送信者からRIS、RISから受信者への独立同分布のレイノルズフェージングチャネルの和としてモデル化され、最適化された位相シフトが適用される。
• K個のRISのうち最大SNRの累積分布関数に基づいて、正確な outage probability が導出される。
• 極値理論を用いて、Kが増加する際の挙動に注目し、漸近的 outage probability および sum-rate が得られる。
• 最大SNRおよび sum-rate の漸近的増加を分析することで、容量スケーリング則が確立される。
• 10⁵回のモンテカルロ試行を用いたシミュレーションにより、解析結果の妥当性を検証し、リレーシステムと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適なRIS選択を伴う複数のRISを用いたデュアルホップ協調ネットワークにおいて、outage probability はどのようにスケーリングするか？
• RQ2 RIS数が増加する際、平均 sum-rate の漸近的挙動はいかなるものか？
• RQ3 RIS数（K）と1つのRISあたりの反射素子数（N）が、同時にシステムの分岐利得およびスペクトル効率に与える影響は何か？
• RQ4 複数のRISを用いたシステムの容量スケーリング則は何か？ また、従来のリレーシステムと比較してどう異なるか？
• RQ5 outage probability および sum-rate の観点から、RIS支援システムはアンプリファイ・アンド・フォワードまたはデコードアンドフォワードリレーシステムをどの程度上回るか？

主な発見

• システムの実現可能な分岐次数は正確に KN に等しく、RISの数と1つのRISあたりの反射素子数が分岐利得に線形に寄与することが確認された。
• 大規模なKに対して漸近的 outage probability は 1/(ln K) に比例してスケーリングし、KNに比例する分岐利得を示しており、平均SNRおよびNに依存するスケーリングが確認された。
• 漸近的 sum-rate はKに関して対数的に増加し、Nに関して線形に増加する。式は log₂(ln K) + log₂(N) + log₂(γ̄) + 定数 として近似可能である。
• 特に高SNR領域において、デコードアンドフォワードリレーシステムと比較して、outage probability および平均 sum-rate の両面で顕著な性能向上が達成された。
• Kを増加させるのと比較して、Nを増加させることによる性能向上がより顕著であり、分岐次数はKNの積によって決定され、outage probability 図において同一のKNを有する曲線は同じ勾配を示すことが確認された。
• 漸近的 sum-rate 式は、Nが増加するに従いシミュレーション結果と非常に良く一致し、導出されたスケーリング則の妥当性が裏付けられた。