[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface Aided Communications: Asymptotic Analysis under Imperfect CSI

Bayan Al-Nahhas, Qurrat-Ul-Ain Nadeem+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、不完全なCSIを想定したマルチユーザーRIS支援MISOダウンリンクシステムの漸近的sum-rate性能を分析し、ON/OFFおよび直接推定（DE）の2つのチャネル推定プロトコルを提案し、SINRおよびsum-rateの確率的同等を導出する。レイノルズフェージング下ではRISはアレイゲインのみを提供するが、ライケニアンフェージング下ではアレイゲインとビームフォーミングゲインの両方を提供し、DEは大規模システムにおいてON/OFFを上回る性能を示す。

ABSTRACT

This work studies the asymptotic sum-rate performance of a multi-user reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted-multiple-input single-output (MISO) downlink system under imperfect CSI and Rayleigh and Rician fading. We first extend the existing least squares (LS) ON/OFF channel estimation protocol to a multi-user system, where we derive minimum mean squared error (MMSE) estimates of all RIS-assisted channels over multiple sub-phases. We also consider a low-complexity direct estimation (DE) scheme, where the BS obtains the MMSE estimate of the overall channel in a single sub-phase. Under both protocols, the BS implements maximum ratio transmission (MRT) precoding while the RIS phases are studied in the large system limit, where we derive deterministic equivalents of the signal- to-interference-plus-noise ratio (SINR) and the sum-rate. The derived asymptotic expressions reveal that under Rayleigh fading, the RIS phase-shift values do not play a significant role in improving the sum-rate but the RIS still provides an array gain. However, under Rician fading, we show that RIS provides both array and reflect beamforming gains. A projected gradient ascent-based algorithm is used to optimize the phase-shifts under both ON/OFF and DE protocol. Simulation results show that the DE of the overall channel yields better downlink performance when considering large systems.

研究の動機と目的

• 不完全なCSIを伴うマルチユーザーRIS支援MISOシステムへのLS ON/OFFチャネル推定プロトコルの拡張を目的とする。
• 1つのサブフェーズで全体のRIS支援チャネルを推定する低複雑度の直接推定（DE）方式を提案する。
• 大規模システムの極限において、確定的同等を用いた漸近的sum-rate性能を分析する。
• レイノルズフェージングおよびライケニアンフェージング条件下でのRIS位相シフトがsum-rateに与える影響を調査する。
• 両推定プロトコル下で投影勾配上昇法を用いてRIS位相シフトを最適化する。

提案手法

• LSベースのON/OFFチャネル推定をマルチユーザーRISシステムに拡張し、複数のサブフェーズにわたりMMSE推定を導出する。
• 基地局が1つのサブフェーズで全体のチャネルを推定する低複雑度の直接推定（DE）方式を提案する。
• 両推定プロトコル下で基地局に最大比率伝送（MRT） precoding を適用する。
• 大規模システムの極限において、信号対インターフェアレンス＋ノイズ比（SINR）およびsum-rateの確定的同等を導出する。
• 両ON/OFFおよびDEプロトコル下で、RIS位相シフトを最適化するために投影勾配上昇法を用いる。
• RIS支援チャネルのレイノルズおよびライケニアンフェージングモデル下での漸近的性能を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なCSIを伴うマルチユーザーRIS支援MISOダウンリンクにおいて、sum-rate性能はどのように漸近的にスケーリングするか？
• RQ2 レイノルズフェージングとライケニアンフェージングの下で、RIS位相シフトがsum-rateに与える影響は何か？
• RQ3 大規模システムにおいて、ON/OFFプロトコルと直接推定（DE）プロトコルのsum-rate性能はどのように比較されるか？
• RQ4 不完全なCSI下でのRIS支援システムにおいて、SINRおよびsum-rateの確定的同等を導出できるか？
• RQ5 異なるフェージングモデル下で、RIS支援システムにおけるアレイゲインとビームフォーミングゲインの役割は何か？

主な発見

• レイノルズフェージング下では、RISの位相シフトはsum-rateに顕著な向上をもたらさないが、依然としてアレイゲインを提供する。
• ライケニアンフェージング下では、RISはアレイゲインと反射ビームフォーミングゲインの両方を提供し、sum-rate性能を向上させる。
• 直接推定（DE）方式は、大規模システムにおいてON/OFFプロトコルよりも優れたダウンリンクsum-rate性能を達成する。
• レイノルズおよびライケニアンフェージングの両状況において、SINRおよびsum-rateの確定的同等が導出された。
• 投影勾配上昇法は、両推定プロトコル下でRIS位相シフトを効果的に最適化できる。
• 漸近的解析から、最適位相制御のもとでRISはライケニアンフェージング下でスペクトル効率を顕著に向上させられると判明した。