[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surfaces assisted Communications with Limited Phase Shifts: How Many Phase Shifts Are Enough?

Hongliang Zhang, Boya Di+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知能表面（RIS）を用いた上行リンク通信における限定的位相シフトの影響を調査し、事前に定義されたデータレート劣化許容範囲内に保つために最適な位相シフト設計を提案する。性能安定性に必要な位相シフト数（Kビット）を解析的に導出しており、RISサイズが無限に拡大する際には2つの位相シフトで十分であることが示され、一方、小さな表面では目的のスペクトル効率を維持するためにはより多くのビットが必要であることを明らかにする。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface~(RIS) has drawn a great attention worldwide as it can create favorable propagation conditions by controlling the phase shifts of the reflected signals at the surface to enhance the communication quality. However, the practical RIS only has limited phase shifts, which will lead to the performance degradation. In this letter, we evaluate the performance of an uplink RIS assisted communication system by giving an approximation of the achievable data rate, and investigate the effect of limited phase shifts on the data rate. In particular, we derive the required number of phase shifts under a data rate degradation constraint. Numerical results verify our analysis.

研究の動機と目的

• 実用的システムにおける限定的位相シフトがRIS支援上行リンク通信の性能に与える劣化を分析すること。
• 連続的および量子化位相シフト下での実現可能データレートに対する閉形式近似を導出すること。
• データレート劣化を所定のしきい値以下に保つために必要な位相シフトレベル数（Kビット）の最小値を特定すること。
• RISサイズと位置のばらつきが要求される位相シフト分解能に与える影響を評価すること。

提案手法

• RISを2^K個の離散的位相シフト状態を有するKビット位相シフターとしてモデル化し、[0, 2π)の範囲で均等に配置する。
• RIS経由で支配的ライン・オブ・サイト（LoS）成分を有するRician fadingチャネルモデルを用い、有効チャネルゲインを位相シフトの関数としてモデル化する。
• SNRの期待値を用いて、エルゴディック実現可能レートの近似を導出する。対数近似式 E[log(1+γ)] ≈ log(1+E[γ]) を活用する。
• 位相シフト量子化下でのLoSおよびNLoSチャネル成分とその交差項を考慮し、期待SNRを計算する。
• 量子化位相制約下での実現可能レートの最大化問題として、最適位相シフト設計を定式化する。
• 漸近的解析を用いて、RISサイズおよびチャネル状態に応じた必要位相シフト分解能の挙動を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限定的位相シフトを有するRIS支援上行リンクシステムにおいて、所定のデータレートを維持するために必要な最小位相シフトレベル数（Kビット）は何か？
• RQ2 RISサイズが、所定のデータレート劣化しきい値を満たすために必要な位相シフトビット数に与える影響は何か？
• RQ3 連続的位相シフトと量子化位相シフトの間で、SNRの漸近的性能向上はどの程度か？
• RQ4 RISの位置不確実性が、必要な位相シフト分解能に与える影響は何か？
• RQ5 2つの位相シフト（例：2）で十分に高い性能が得られるか、特に大規模RISアレイにおいては？

主な発見

• 純粋なLoSチャネルモデル下では、実現可能データレートはRIS要素数の二乗に比例するが、Rayleigh fading下では線形に比例する。
• RIS開口部サイズが大きくなるに従い、位相誤差に対する感受性が低下するため、必要な位相シフトビット数は減少する。
• RISサイズが十分に大きい場合、わずかなデータレート劣化で済むため、2つの位相シフト（1ビット）で十分に近最適性能を達成できる。
• 小さなRISでは、所定のデータレート劣化しきい値を満たすために必要な位相シフトビット数が顕著に増加する。
• RISサイズが拡大するに従い、位置不確実性が必要な位相シフト分解能に与える影響は小さくなり、ビームフォーミングゲインのダイバーシティ効果によるものである。
• 実現可能レートに対する導出された解析的近似は、シミュレーション結果とよく一致しており、理論的枠組みの妥当性が裏付けられる。