[論文レビュー] Performance Evaluation and Diversity Analysis of RIS-Assisted Communications Over Generalized Fading Channels in the Presence of Phase Noise

Imène Trigui, Wessam Ajib+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、位相ノイズを伴う一般化された fading チャネルにおける再構成可能知能表面（RIS）支援通信の性能評価のための統一的解析フレームワークを提案する。FalkのH分布を用いて fading をモデル化し、アウトージェ確率および分岐次数の閉形式式を導出する。RISシステムは、任意の2要素間の位相誤差差の絶対値が $\pi/2$ 未満であれば、位相ノイズが存在しても完全な分岐次数を達成することが示された。このフレームワークはモンテカルロシミュレーションにより検証され、反射素子の任意の数およびさまざまな fading/位相ノイズ分布に適用可能である。

ABSTRACT

In this paper, we develop a comprehensive theoretical framework for analyzing the performance of reconfigurable intelligent surfaces (RISs)-assisted communication systems over generalized fading channels and in the presence of phase noise. To this end, we propose the Fox's H model as a unified fading distribution for a large number of widely used generalized fading channels. In particular, we derive a unified analytical framework for computing the outage probability and for estimating the achievable diversity order of RIS-aided systems in the presence of phase shifts that either are optimally configured or are impaired by phase noise. The resulting expressions are general, as they hold for an arbitrary number of reflecting elements, and various channel fading and phase noise distributions. As far as the diversity order is concerned, notably, we introduce an asymptotic analytical framework for determining the diversity order in the absence of phase noise, as well as sufficient conditions based on upper bounds and lower bounds for ensuring that RIS-assisted systems achieve the full diversity order in the presence of phase noise. More specifically, if the absolute difference between pairs of phase errors is less than $π/2$, RIS-assisted communications achieve the full diversity order over independent fading channels, even in the presence of phase noise. The theoretical frameworks and findings are validated with the aid of Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 一般化された fading および位相ノイズ下での RIS アシスト通信システムを分析する統一的理論的フレームワークの構築を目的とする。
• 多様な fading モデルを統一的に表現できるように、FalkのH分布を用いてエンドツーエンドチャネル分布をモデル化することを目的とする。
• 位相ノイズが存在する状況下でのアウトージェ確率および分岐次数の閉形式式を導出することを目的とする。
• 特に位相誤差差が制限されている場合に、位相ノイズ下で完全な分岐次数を達成するための十分条件を確立することを目的とする。
• さまざまなチャネルおよびノイズ設定において、モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果の妥当性を検証することを目的とする。

提案手法

• FalkのH分布を用いて、Rayleigh、Rician、Nakagami-m を含む広範な一般化された fading チャネルのクラスを統一的に表現するフェーディングモデルとして採用する。
• エンドツーエンドチャネルゲインを、送信機からRIS、およびRISから受信機へのRician fading 成分を表す2つの複素正規確率変数の積としてモデル化する。
• Mellin-Barnes 積分表現および Gauss 超幾何関数の性質を用いて、チャネルゲインの二乗の累積分布関数（CDF）を導出する。
• 高SNR領域を扱うために、Euler-Gauss極限を用いた漸近的解析を行い、RIS素子数が非常に多い場合の式を簡略化する。
• アウトージェ確率の上界および下界を用いて分岐次数を分析し、位相ノイズ下での完全な分岐次数を達成するための条件を導出する。
• 位相ノイズを $[-\pi, \pi]$ 上の一様分布としてモデル化し、修正された位相誤差分布を統計的チャネルモデルに組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般化された fading チャネルに位相ノイズが存在する状況下で、RISアシストシステムの性能を評価する統一的解析フレームワークをどのように構築できるか？
• RQ2 位相ノイズは、RIS支援システムにおけるアウトージェ確率および分岐次数にどのような影響を及えるか？
• RQ3 RIS支援システムが位相ノイズの存在下でも完全な分岐次数を達成できる条件は何か？
• RQ4 RIS素子数の増加が、位相ノイズ下でのシステム性能および分岐利得にどのように影響を与えるか？
• RQ5 相関したフェーディング成分を有するRIS支援システムにおいて、FalkのH分布はエンドツーエンドチャネルゲインを正確に表現できるか？

主な発見

• FalkのH分布は、Rayleigh、Rician、Nakagami-m フェーディングを包括する統一的モデルを提供し、RIS支援システムの一般化された解析を可能にする。
• 任意のRIS素子数およびさまざまなフェーディング・位相ノイズ分布に対して、アウトージェ確率の閉形式式が導出された。
• 任意の2要素間の位相誤差差の絶対値が $\pi/2$ 未満であれば、位相ノイズが存在しても分岐次数が完全に達成される。
• 位相ノイズが $[-\pi, \pi]$ 上の一様分布に従う場合でも、同じ条件下でシステムは完全な分岐次数を達成する。これは漸近的解析により示された。
• モンテカルロシミュレーションを用いた検証により、解析結果の正確性が確認され、さまざまなSNR領域およびシステム設定で妥当であることが示された。
• フレームワークは、先行研究で用いられる中心極限定理に基づく近似が、特に高SNR領域において小さいRISに対して不正確であることを明らかにした。