[論文レビュー] Performance Analysis of Reconfigurable Intelligent Surfaces over Nakagami-m Fading Channels

Monjed H. Samuh, Anas M. Salhab|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、Nakagami-m fadingチャネルにおける再構成可能知能表面（RIS）支援ネットワークの性能を、中断確率、平均符号誤り確率（ASEP）、およびチャネル容量について閉形式近似を導出することによって分析している。結果として、システムは多様性次数 (a+1)/2 を達成しており、a は Nakagami-m パrameter m と反射素子数 N に依存する。m が N よりも性能に与える影響が強いことが明らかになった。

ABSTRACT

This letter studies the performance of reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided networks over Nakagami-m fading channels. First, we derive accurate closed-form approximations for the system channel distributions, and then, use them in deriving closed-form approximations for the outage probability, average symbol error probability (ASEP), and average channel capacity. In addition, to get more insights at the system performance, we derive asymptotic expression for the outage probability at high signal-to-noise ratio (SNR) regime, and provide closed-form expressions for the system diversity order and coding gain. Results show that the considered RIS scenario can provide a diversity order of (a+1)/2, where a is a function of the Nakagami-m fading parameter m and the number of reflecting elements N. Furthermore, results illustrate that m is more impactful on the diversity order and the system performance than N. Finally, the provided results are valid for arbitrary number of reflecting elements N and non-integer m.

研究の動機と目的

• 再構成可能知能表面（RIS）支援ネットワークの Nakagami-m デリング環境下での性能を分析すること。
• 中継確率、平均符号誤り確率（ASEP）、平均チャネル容量といった主要なシステム指標について、正確な閉形式近似を導出すること。
• RIS支援システムにおける高SNR領域における多様性次数およびコーディングゲインを調査すること。
• Nakagami-m デリングパラメータ m と反射素子数 N がシステム性能に与える相対的影響を定量化すること。
• 導出された式が任意の N および非整数 m 値に対しても有効であることを保証すること。

提案手法

• RIS支援ネットワークにおけるシステムチャネル分布の閉形式近似を導出すること。
• 導出されたチャネル分布を用いて、中継確率、ASEP、平均チャネル容量を解析的に閉形式で計算すること。
• 高SNRにおける漸近的解析を適用し、中継確率式を導出し、多様性次数およびコーディングゲインを抽出すること。
• 多様性次数を (a+1)/2 として表現し、a を Nakagami-m パラメータ m と反射素子数 N の関数として定式化すること。
• 数学的導出と漸近的解析を用いて解析式を検証し、非整数 m および任意の N に対しても適用可能であることを保証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIS支援システムにおける Nakagami-m デリングチャネル上での中継確率、ASEP、平均チャネル容量の閉形式式は何か？
• RQ2 多様性次数は Nakagami-m デリングパラメータ m と反射素子数 N に対してどのように変化するか？
• RQ3 m と N が多様性ゲインおよび全体的な性能に与える相対的影響は何か？
• RQ4 高SNR領域における漸近的中継性能およびコーディングゲインは、考察対象のRIS環境でどのように振る舞うか？
• RQ5 導出された式は、Nakagami-m デリングパラメータ m の非整数値および任意の反射素子数 N に対しても有効か？

主な発見

• システムは、多様性次数 (a+1)/2 を達成しており、a は Nakagami-m デリングパラメータ m と反射素子数 N に依存する。
• Nakagami-m デリングパラメータ m は、反射素子数 N よりも多様性次数および全体的なシステム性能に顕著な影響を与える。
• 任意の N および非整数 m に対して、中継確率、ASEP、平均チャネル容量の閉形式式が導出され、検証された。
• 漸近的解析により、高SNR領域における多様性次数およびコーディングゲインが確認され、システム設計に向けた性能インサイトが得られた。
• 導出された式は、非整数 m および任意の N を含む広範なシステム設定においても正確かつ適用可能である。
• 結果から、システム性能は反射素子数よりも、m が制御するデリングの深刻さ（fading severity）により顕著に敏感であることが示された。