[논문 리뷰] A Novel Physics-based Channel Model for Reconfigurable Intelligent Surface-assisted Multi-user Communication Systems

Jiaqi Xu, Yuanwei Liu|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 27인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 다중 사용자 시스템을 위해 RIS와 산산이 흩어진 환경을 통합된 시스템으로 모델링함으로써 물리 기반의 Rician fading 채널 모델을 제안한다. Rician 분포의 형태 및 척도 인자에 대한 해석적 표현을 유도하여 평균 수신 전력이 RIS 요소 수와 위상 양자화 수준에 비례함을 보이며, RIS 크기에 관계없이 일정한 다변화 순서를 갖는다는 것을 증명한다. 이는 단일 배열 RIS에 대해 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

The reconfigurable intelligent surface (RIS) is one of the promising technologies contributing to the next generation smart radio environment. A novel physics-based RIS channel model is proposed. Particularly, we consider the RIS and the scattering environment as a whole by studying the signal's multipath propagation, as well as the radiation pattern of the RIS. The model suggests that the RIS-assisted wireless channel can be approximated by a Rician distribution. Analytical expressions are derived for the shape factor and the scale factor of the distribution. For the case of continuous phase shifts, the distribution depends on the number of elements of the RIS and the observing direction of the receiver. For the case of continuous phase shifts, the distribution further depends on the quantization level of the RIS phase error. The scaling law of the average received power is obtained from the scale factor of the distribution. For the application scenarios where RIS functions as an anomalous reflector, we investigate the performance of single RIS-assisted multiple access networks for time-division multiple access (TDMA), frequency-division multiple access (FDMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA). Closed-form expressions for the outage probability of the proposed channel model are derived. It is proved that a constant diversity order exists, which is independent of the number of RIS elements. Simulation results are presented to confirm that the proposed model applies effectively to the phased-array implemented RISs.

연구 동기 및 목표

• RIS와 산산이 흩어진 환경의 전자기적 거동을 통합된 시스템으로 포괄하는 물리 기반 채널 모델을 개발하기 위해.
• 연속적 및 양자화된 RIS 위상 이격이 전체 채널의 통계적 분포에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• RIS 보조 다중 사용자 시스템에서 Rician 페이딩 분포의 형태 및 척도 인자에 대한 해석적 표현을 유도하기 위해.
• 제안된 모델을 기반으로 TDMA, FDMA, NOMA에서의 RIS 보조 네트워크 성능을 조사하고, 아웃지 전력에 중점을 두기 위해.
• 유도된 채널 모델 파rameter를 기반으로 평균 수신 전력의 스케일링 법칙을 수립하기 위해.

제안 방법

• 다중 경로 전파 및 복사 패턴을 포괄하기 위해 RIS와 주변 산산이 흩어진 환경을 단일 전자기 시스템으로 모델링한다.
• 송신기에서 RIS로의 반경과 RIS에서 수신기로의 반경을 결합하여 전체 채널 응답을 유도하며, 위상 이격 구성 요소를 포함한다.
• 수신 신호의 진폭을 모델링하기 위해 Nakagami-m 분포 이론을 적용하여 Rician 페이딩 근사에 이를 적용한다.
• 대규모 RIS 및 다중 경로 조건 하에서 수신 신호의 실수부 및 허수부를 중심 극한 정리로 모델링한다.
• 위상 양자화 오차를 고려한 효과적 형태 인자 $ K^{Eff} $ 및 척도 인자 $ ilde{ heta}_p $의 폐쇄형 표현을 유도한다.
• 유도된 모델 하에서 TDMA, FDMA, NOMA의 아웃지 전력에 대해 분석하며, 일정한 다변화 순서를 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 경로 전파 및 복사 패턴 효과가 결합된 상태에서 RIS 보조 채널 응답은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 전체 RIS 채널의 통계적 분포는 무엇이며, 그 형태 및 척도 인자는 RIS 크기와 위상 이격 구성에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 위상 양자화 오차는 Rician 페이딩 인자와 그로 인한 아웃지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 RIS 요소 수와 위상 양자화 수준에 따라 평균 수신 전력의 스케일링 법칙은 어떻게 되는가?
• RQ5 RIS 보조 시스템의 다변화 순서는 RIS 요소 수에 관계없이 일정한가?

주요 결과

• RIS 보조 채널은 Rician 페이딩 분포로 정확하게 모델링될 수 있으며, RIS 크기와 위상 이격 유형에 기반한 형태 및 척도 인자를 해석적으로 유도할 수 있다.
• 연속적 위상 이격의 경우, 척도 인자는 RIS 요소 수와 수신기의 관측 방향에 따라 달라진다.
• 양자화된 위상 이격의 경우, 척도 인자는 추가로 위상 양자화 수준에 따라 달라지며, 효과적 형태 인자 $ K^{Eff} $ 는 양자화 해상도의 사인 함수로 표현된다.
• 평균 수신 전력은 RIS 요소 수 $ M $ 에 비례하며, 이 스케일링 법칙은 척도 인자 $ ilde{ heta}_p $ 에 기반한다.
• 시스템의 다변화 순서는 일정하며 RIS 요소 수에 영향을 받지 않으며, 이는 시스템 설계에 있어 핵심적인 통찰이다.
• 시뮬레이션 결과는 단일 배열 RIS를 구현한 경우 모델의 정확성을 확인하였으며, TDMA, FDMA, NOMA 시나리오 전반에서 이론적 유도 결과가 검증되었다.