[論文レビュー] Performance Analysis of Distributed Intelligent Reflective Surfaces for Wireless Communications

Diluka Galappaththige, Dhanushka Kudathanthirige+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、Nakagami-m fading下での周囲信号整合性を考慮した分散型知能反射表面（IRS）の性能解析を提示し、アウトージャ確率、達成可能レート、および符号誤り率（SER）の閉形式近似を導出する。分散型受動的IRSは、アクティブRFチェーンを必要とせず、位相制御反射による信号のconstructive結合によって、スペクトル効率と信頼性を著しく向上させるフルダイバーシティゲインとアレイゲインを達成できることを示している。

ABSTRACT

In this paper, a comprehensive performance analysis of a distributed intelligent reflective surfaces (IRSs)-aided communication system is presented. First, the optimal signal-to-noise ratio (SNR), which is attainable through the direct and reflected channels, is quantified by controlling the phase shifts of the distributed IRS. Next, this optimal SNR is statistically characterized by deriving tight approximations to the exact probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) for Nakagami-$m$ fading. The accuracy/tightness of this statistical characterization is investigated by deriving the Kullback-Leibler divergence. Our PDF/CDF analysis is used to derive tight approximations/bounds for the outage probability, achievable rate, and average symbol error rate (SER) in closed-form. To obtain useful insights, the asymptotic outage probability and average SER are derived for the high SNR regime. Thereby, the achievable diversity order and array gains are quantified. Our asymptotic performance analysis reveals that the diversity order can be boosted by using distributed passive IRSs without generating additional electromagnetic (EM) waves via active radio frequency chains. Our asymptotic rate analysis shows that the lower and upper rate bounds converge to an asymptotic limit in large reflective element regime. Our analysis is validated via Monte-Carlo simulations. We present a rigorous set of numerical results to investigate the performance gains of the proposed system model. Our analytical and numerical results reveal that the performance of single-input single-output wireless systems can be boosted by recycling the EM waves generated by a transmitter through distributed passive IRS reflections to enable constructive signal combining at a receiver.

研究の動機と目的

• 受信側での位相シフト信号のconstructive結合を最適化することで、分散型IRSが信号対雑音比（SNR）を向上させる性能を分析すること。
• 直接チャネルおよび反射チャネルの両方におけるNakagami-m fading下でのエンドツーエンドSNR分布のタイトな統計的近似を導出すること。
• 実用的システム設計のための主要な性能指標（アウトージャ確率、達成可能レート、平均符号誤り率（SER））を閉形式で定量すること。
• 位相シフト量子化誤差および空間相関 fading がシステムの信頼性と性能に与える影響を調査すること。
• 高SNRにおける性能の漸近的限界（ダイバーシティ順序およびアレイゲイン）を確立し、システムのスケーラビリティとロバストネスを評価すること。

提案手法

• 受信側でのconstructive信号結合を最大化するために、複数の分散型IRSにわたる位相シフトを共同制御することで最適SNRを導出する。
• ラプラス変換およびモーメント生成関数（MGF）技術を用いて、Nakagami-m fading下でのエンドツーエンドSNRの確率密度関数（PDF）および累積分布関数（CDF）を近似する。
• マクローリン級数展開および漸近的解析を適用し、SNRがゼロに近い領域でのPDFおよびCDFをモデル化することで、アウトージャおよびSERの式を導出可能にする。
• 高SNRにおけるSNR分布の漸近的挙動を用いて、アウトージャ確率および平均SERの閉形式式を導出する。
• IRSにおける空間相関 fading の統計的モデルを導入し、位相シフト量子化誤差による性能劣化を定量する。
• マルコフモンテカルロシミュレーションを用いて解析結果を検証し、さまざまなチャネル状態下で近似の正確性とタイトさを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の受動的反射素子にわたる制御可能な位相シフトを持つ分散型IRS支援システムにおいて、最適に達成可能なSNRは何か？
• RQ2 エンドツーエンドSNRのPDFおよびCDFはNakagami-m fading下でどのように振る舞い、閉形式でタイトに近似可能か？
• RQ3 高SNR領域における漸近的アウトージャ確率および平均SERは何か？また、達成可能なダイバーシティゲインおよびアレイゲインは何か？
• RQ4 位相シフト量子化誤差および空間相関 fading は、実用的なIRS展開におけるシステム性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 アクティブRFチェーンや追加の電磁波生成を一切行わずに、受動的IRSはスペクトル効率と信頼性をどの程度向上できるか？

主な発見

• システムは $ m_s N L + m_u $ のダイバーシティ順序を達成する。ここで $ m_s $、$ m_u $ は fading パrameter であり、$ N $、$ L $ はIRSの数および1つのIRSあたりの反射素子数である。アクティブRFチェーンを必要としない。
• 漸近的アウトージャ確率は $ ar{ ho}^{-G_d} $ に比例し、$ G_d = m_s N L + m_u $ である。これは、分散型受動的IRSがフルダイバーシティゲインを達成していることを確認する。
• 達成可能レートは、反射素子数が多い領域においてタイトな漸近的限界に収束し、下限と上限が同じ値に近づく。
• 位相シフト量子化誤差および空間相関 fading は性能を劣化させるが、IRSの受動的性質とconstructiveビームフォーミングのおかげで、システムは依然としてロバストである。
• 平均符号誤り率（SER）は $ G_d = m_s N L + m_u $ のダイバーシティゲインを示し、漸近的SERは $ ar{ ho}^{-G_d} $ に比例する。これは、高SNR領域におけるロバストネスを確認する。
• モンテカルロシミュレーションにより、解析的近似が妥当であることが検証され、さまざまなシステム構成において導出されたPDF、CDF、アウトージャ、SER式のタイトさが確認された。