[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted Communications with Discrete Phase Shifts: How Many Quantization Levels are Required to Achieve Full Diversity?

Peng Xu, Gaojie Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知的表面（RIS）が無線通信において完全な多様性次数を達成するための位相量子化レベルの最小数を調査する。理論的に、完全な多様性次数Nを達成するには少なくとも3つの量子化レベル（L ≥ 3）が必要十分であることを証明しており、L = 2では多様性が最大で(N+1)/2に制限されることを示している。シミュレーション結果は、L ≥ 3の場合、性能損失が無視できるほど小さいことを確認している。

ABSTRACT

Due to hardware limitations, the phase shifts of the reflecting elements of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) need to be quantized into discrete values. This letter aims to unveil the minimum required number of phase quantization levels $L$ in order to achieve the full diversity order in RIS-assisted wireless communication systems. With the aid of an upper bound of the outage probability, we first prove that the full diversity order is achievable provided that $L$ is not less than three. If $L=2$, on the other hand, we prove that the achievable diversity order cannot exceed $(N+1)/2$, where $N$ is the number of reflecting elements. This is obtained with the aid of a lower bound of the outage probability. Therefore, we prove that the minimum required value of $L$ to achieve the full diversity order is $L=3$. Simulation results verify the theoretical analysis and the impact of phase quantization levels on RIS-assisted communication systems.

研究の動機と目的

• RIS支援システムが完全な多様性次数を達成するための位相量子化レベルの最小数を特定すること。
• 離散的位相シフトがRIS支援通信におけるアウトージ確率および多様性ゲインに与える影響を分析すること。
• 量子化レベルLの数に基づいた多様性次数の理論的境界を確立すること。
• 制限された位相分解能を有する実用的RISハードウェアの設計指針を提供すること。

提案手法

• アウトージ確率の上界を導出し、L ≥ 3のとき完全な多様性次数Nが達成可能であることを証明する。
• アウトージ確率上界に基づく数学的帰納法を用いて、L ≥ 3のとき完全な多様性が達成可能であることを確立する。
• 量子化境界付近の位相誤差を条件付きにしたアウトージ確率の下界を導出し、L = 2の場合の性能限界を分析する。
• 高SNRにおけるアウトージ確率の漸近的挙動を分析して多様性次数を特徴付ける。
• RISリンクに複素正規分布チャネルモデルを採用し、独立同分布の fading コefficientを仮定する。
• LとNを変化させたモンテカルロシミュレーションを用いて理論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 RIS支援システムにおいて完全な多様性次数Nを達成するための位相量子化レベルLの最小値は何か？
• RQ2 2つの位相レベル（L = 2）のみを用いる場合、多様性次数はどのように変化するか？
• RQ3 位相シフトが量子化されても完全な多様性次数を維持できるか、その条件は何か？
• RQ4 高SNRにおける位相量子化誤差分布がアウトージ性能に与える影響は何か？
• RQ5 反射素子数Nと量子化レベル数Lの間には、達成可能な多様性にどのような相互作用があるか？

主な発見

• 完全な多様性次数Nは、位相量子化レベル数Lが3以上である場合に限り達成可能である。
• L = 2の場合、達成可能な多様性次数は最大で(N+1)/2であり、N > 1のときNより厳密に小さい。
• L ≥ 3の場合、完全な位相シフトと同等のアウトージ確率曲線が得られ、多様性ゲインの損失がないことが示された。
• L ≥ 3では、中程度のNに対しても位相量子化によるアウトージ性能損失は無視できるほど小さい。
• L = 2の場合、位相誤差が±π/2付近に集中することで、信号の強め合いと弱め合いが生じ、深刻なフェージングが発生するため、多様性次数が制限される。
• シミュレーション結果は、L ≥ 3ではほぼ完全な多様性ゲインが得られ、L = 2では高SNR領域に顕著な性能床が現れることを確認している。