[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface-Empowered Code Index Modulation for High-Rate SISO Systems

Fatih Çögen, Burak Ahmet Özden+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スプライシングコードインデックスとRIS反射制御を活用することで、高レートSISOシステムにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率を向上させる再構成可能インテリジェントサーフェス搭載コードインデックス変調（CIM-RIS）システムを提案する。シミュレーション結果は、従来のRISに対して最大19.86 dBのSNR向上を示しており、RIS位相シフトによるシンボルとコードインデックスの共同変調により、より高いデータレートと低いエネルギー消費を実現している。

ABSTRACT

In this study, a novel index modulation based communication system is proposed by combining the recently popular code index modulation-spread spectrum (CIM-SS) and reconfigurable intelligent surface (RIS) techniques. This technique is called CIM-RIS in short. In this proposed system, in addition to the traditional modulated symbols, the spreading code indices also carry data by being embedded in the signal, and the reflection/scattering properties of the signals are voluntarily controlled via the RIS technique. Consequently, the proposed system consumes little energy while transmitting extra bits of information compared to the traditional RIS. Average bit-error error (ABER) analysis of the proposed system is carried out and the system complexity, energy efficiency, and throughput analyses are obtained. Performance analysis of the system is carried out on Rayleigh fading channels for the M-ary quadrature amplitude modulation (QAM) technique. It has been shown by computer simulations that the CIM-RIS scheme has better error performance, faster data transmission speed, and lower transmission energy, compared to traditional RIS, transmit spatial modulation aided RIS (TSM-RIS) and transmit quadrature spatial modulation based RIS (TQSM-RIS) techniques.

研究の動機と目的

• IoTおよびマルチメディア応用における高データレートでエネルギー効率の高い無線通信への需要の増大に対応すること。
• 高次QAMを用いてすべてのビットを送信する従来のRISシステムの限界、すなわちエネルギー消費と誤り率の増加を克服すること。
• スプライシングコードインデックスを追加の情報ドメインとして活用することで、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させること。
• 再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）とコードインデックス変調（CIM）を統合し、Rayleigh fadingチャネルにおける性能を向上させること。
• 現実的な fading 条件下でのシステム複雑度、スループット、エネルギー効率、およびビット誤り率（BER）性能を評価すること。

提案手法

• 本システムは、コードインデックス変調（CIM）と再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）を統合し、データビットを変調されたシンボル（M-QAM）とスプライシングコードインデックス（Walsh-Hadamardコード）に分割する。
• RIS素子が信号の反射位相を動的に制御することで、ビームフォーミングにより追加の情報を伝送し、追加の電力なしに空間多重を実現する。
• 送信機は1時間スロットごとに1つのアクティブシンボルを送信し、選択されたスプライシングコードを用いる。コードインデックスがデータの一部を担い、RISの位相シフトが信号をさらに変調して追加のビットを伝送する。
• 受信機は共同検出を実行する：まず相関を用いてスプライシングコードインデックスを推定し、次にM-QAMシンボルをデモジュレートしてデータを復元する。
• システム性能は、Rayleigh fadingチャネル上での平均ビット誤り率（ABER）、エネルギー効率、スループットの指標を用いて分析される。
• シミュレーションでは、RIS素子数（N=16～128）およびビット負荷（u=8～11）を変化させ、CIM-RISを従来のRIS、TSM-RIS、TQSM-RISと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CIM-RISは、Rayleigh fadingチャネルにおいて従来のRISと比較して、どのようにスペクトル効率およびエネルギー効率を向上させるか？
• RQ2 シンボル変調とスプライシングコードインデックスにビットを分散させることによる誤り性能とシステム複雑度への影響は何か？
• RQ3 RIS素子数（N）がCIM-RISシステムのBERおよびSNR性能に与える影響は何か？
• RQ4 SNR向上およびビット誤り率の観点から、CIM-RISはTSM-RISおよびTQSM-RISと比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ5 提案されたCIM-RISアーキテクチャにおいて、データレート、エネルギー効率、およびシステム複雑度のトレードオフは何か？

主な発見

• N=64かつu=10ビットの条件下で、CIM-RISシステムは従来のRISに対して19.86 dBのSNR向上を達成し、優れた誤り性能を示している。
• N=128かつu=8ビットの条件下で、CIM-RISシステムは従来のRISに対して14.2 dBのSNR向上を達成し、TQSM-RISおよびTSM-RISに対してはそれぞれ119 dBおよび124 dBのSNR向上を示している。
• u=11ビットかつN=32の条件下で、CIM-RISシステムはTSM-RISに対して112.8 dB、TQSM-RISに対して117.68 dBのSNR向上を達成しており、高データ負荷下でも高い耐障害性を確認している。
• RIS素子数（N）の増加に伴い誤り性能が向上し、スプライシングコードインデックスに保持されるビット数が増えるほどBERが低下する。
• コードインデックスとRIS位相シフトの効率的利用のおかげで、従来のRIS、TSM-RIS、TQSM-RISと比較して、CIM-RISシステムは著しく低い送信エネルギーと高いデータレートを実現している。
• 3次元BER性能は、反射素子数（N）とスプライシングコードインデックス数（L）の増加が信頼性を向上させることを示しており、M-QAMの高次化は性能を劣化させる。