[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided Communication: Capacity and Performance Analysis Over Rician Fading Channel

Chandradeep Singh, Chia-Hsiang Lin|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、リカッチ・ fading 環境下における再構成可能知能表面（RIS）支援ミリ波通信における、遍歴容量および平均符号誤り確率の閉形式式を提案する。CSI既知およびCSI未知の両状況を分析し、低SNR・高フェージング環境下では、水割り法による適応的パワー制御が性能を向上させることを示している。一方、大規模なRISアパーチャーでは、送信機におけるCSIの必要性が低下する。

ABSTRACT

In this work, we consider a single input single output (SISO) system for Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) assisted mmWave communication. We consider Rician channel models over user node to RIS and RIS to Access Point (AP). We obtain closed form expressions for capacity with channel state information (CSI) and without CSI at the transmitter. Newly derived capacity expressions are closed form expressions in a very compact form. We also simplified the closed form expressions for average symbol error probability. We also characterize the impacts of key parameters Rician factor K and number of elements on IRS on ergodic capacity with CSI and without CSI at the transmitter.

研究の動機と目的

• Rician fadingチャネル上におけるRIS支援SISOシステムの遍歴容量について、簡潔で閉形式の式を導出すること。
• 送信機にCSIがある・ない状況下で、Rician因子$K$およびRIS素子数$N$がシステム性能に与える影響を分析すること。
• CSIの知識を前提とした水割り法パワー制御が、遍歴容量最大化に果たす有効性を評価すること。
• 特に低SNRまたは高フェージング状態下で、パワー適応にCSIが必要となる条件を特定すること。

提案手法

• エンドツーエンドチャネルゲインをi.i.d.なRician確率変数の和としてモデル化するため、ラゲール級数法を用いてチャネル分布を導出する。
• Meijer G関数および一般化超幾何関数を用いて、遍歴容量を閉形式で表現する。
• CSIを用いた水割り法パワー制御を適用し、Meijer G関数を含む積分表現によって導出された遍歴容量を最大化する。
• 同一の分布フレームワークを用いて、平均符号誤り確率（ASEP）の簡略化された閉形式を導出する。
• 性能比較のため、統計的CSIおよび瞬時CSIの両状態でのシステム特性を同定する。
• さまざまな$K$、$N$、SNR領域において、数値的シミュレーションを通じて解析的結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機にCSIがある・ない状況下で、RIS支援SISOシステムの遍歴容量は、Rician fadingチャネル上でどのように変化するか？
• RQ2 Rician因子$K$およびRIS素子数$N$は、遍歴容量および適応的パワー制御の必要性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 水割り法パワー制御が、定常送信パワーと比較して、どのSNR領域で容量を顕著に向上させるか？
• RQ4 どのような条件下で、大規模なRISアパーチャーがCSIに基づくパワー適応の必要性を排除するか？

主な発見

• Meijer G関数およびラゲール級数近似を用いて、CSI有り・無しの両状況下で、遍歴容量の新規で簡潔な閉形式式を導出している。
• 低SNRおよび高フェージング（低$K$）状態下では、水割り法パワー制御が遍歴容量を顕著に向上させ、特に$N$が小さい場合に顕著である。
• 高$K$値（強いLoS成分）では、平均パワーでの送信が水割り法とほぼ同等の性能を示し、CSIフィードバックの必要性が低下することが示された。
• $N$が大きい（例：$N=5$）場合、低$K$であっても、適応的パワー制御がなくても高い容量が達成され、チャネル推定のオーバーヘッドが低減される。
• 数値的結果から、$N$の増加がチャネルのランダムネスを相殺し、大口径RISシステムではCSIに基づくパワー制御がより重要でなくなることが確認された。
• 導出されたASEP式は簡略化されており、解析的に取り扱いやすく、計算コストを最小限に抑えてRician fading下での性能評価が可能である。