[논문 리뷰] Accurate Closed-Form Approximations to Channel Distributions of RIS-Aided Wireless Systems

Liang Yang, Fanxu Meng외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 10.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 16인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 반사 요소 수가 적을 경우 비중앙화 카이제곱(NCCS) 분포의 한계를 극복하기 위해 소수의 근사법(SAA)을 사용하여 재구성 가능 지능 표 superfaced(RIS)-기반 무선 시스템의 채널 분포에 대해 고정밀도의 닫힌 형태 근사치를 제안한다. 특히 이중호프(RIS-DH) 및 RIS-기반 전송(RIS-T) 방식을 대상으로 한다. 주요 기여는 제안된 근사치가 임의의 N에 대해 타당하며, RIS-DH의 경우 다양성 계수 $N-1 < G_d < N$이고 RIS-T의 경우 $G_d = N$로, 둘 다 다중화 이득 없이 오직 다양성 이득만을 달성한다는 점이다.

ABSTRACT

This paper proposes highly accurate closed-form approximations to channel distributions of two different reconfigurable intelligent surface (RIS)-based wireless system setups, namely, dual-hop RIS-aided (RIS-DH) scheme and RIS-aided transmit (RIS-T) scheme. Differently from previous works, the proposed approximations reveal to be very tight for arbitrary number $N$ of reflecting metasurface's elements. Our findings are then applied to the performance analysis of the considered systems, in which the outage probability, bit error rate, and average channel capacity are derived. Results show that the achievable diversity orders $G_d$ for RIS-DH and RIS-T schemes are $N-1

연구 동기 및 목표

• 반사 요소 수 N 이 작을 경우 비중앙화 카이제곱(NCCS) 분포가 RIS 채널 통계를 근사하는 데 나타나는 부정확성을 해결하기 위해.
• N에 관계없이 정확한 닫힌 형태 근사치를 개발하여 NCCS의 중심극한정리 기반 한계를 극복하기 위해.
• RIS-기반 시스템의 정밀한 성능 분석을 가능하게 하기 위해, 아웃오지 확률, 비트 오류율(BER), 평균 채널 용량을 포함하여.
• 제안된 근사치 하에 RIS-DH 및 RIS-T 방식의 다양성 및 다중화 이득을 특성화하기 위해.

제안 방법

• RIS-기반 시스템의 채널 분포를 모델링하기 위해 확률 밀도 함수의 합에 대해 소수의 근사법(SAA)을 활용한다.
• 제안된 근사치를 사용하여 아웃오지 확률, 평균 BER 및 평균 채널 용량에 대한 닫힌 형태 표현식을 유도한다.
• RIS-DH 및 RIS-T 시스템 양쪽 모두에서 종단 간 신호 대 잡음비(SNR)에 대해 제곱된 G_K 분포를 정확한 근사치로 적용한다.
• 양쪽 방식의 가능 다양성 계수를 결정하기 위해 점근적 분석을 수행한다.
• 다양한 SNR 범위 및 N 값에서 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성을 검증한다.
• RIS-T 케이스의 평균 용량을 닫힌 형태로 표현하기 위해 지수 적분 함수 및 일반화된 라게르의 다항식을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반사 요소 수가 임의일 경우, 특히 N 이 작을 경우 RIS-기반 시스템의 채널 분포를 어떻게 정확하게 근사할 수 있는가?
• RQ2 정확한 채널 모델링 하에 RIS-DH 및 RIS-T 시스템에서 달성 가능한 다양성 및 다중화 이득은 무엇인가?
• RQ3 아웃오지 확률 및 BER 측면에서 제안된 근사치가 널리 사용되는 비중앙화 카이제곱(NCCS) 분포보다 정확도가 높은가?
• RQ4 반사 요소 수 N 이 RIS-기반 시스템의 평균 채널 용량과 다양성 계수에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 제안된 근사 프레임워크 하에서 주요 성능 지표(아웃오지, BER, 용량)에 대한 닫힌 형태 표현식을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 채널 분포에 대한 닫힌 형태 근사치는 특히 N 이 작을 경우 NCCS 분포보다 훨씬 정확하며, 시뮬레이션 결과로 확인되었다.
• RIS-DH 방식의 달성 가능한 다양성 계수는 $N-1 < G_d < N$ 이며, 이는 단 하나의 자유도를 가진 키홀 MIMO 채널과 유사하게 행동함을 시사한다.
• RIS-T 방식의 달성 가능한 다양성 계수는 $G_d = N$ 이며, 이는 전송 다양성 구조처럼 작동함을 나타낸다.
• RIS-DH 및 RIS-T 양쪽 모두에서 다중화 이득 없이 오직 다양성 이득만을 달성하며, 이는 N 이 증가하더라도 용량 곡선의 기울기가 일정하게 유지되는 것으로 확인된다.
• 양쪽 방식에 대한 평균 채널 용량 표현식은 매우 정밀하며 시뮬레이션 결과와 밀도 있게 일치한다. RIS-T 케이스에 대해서는 닫힌 형태 상한값도 제시되었다.
• 제안된 근사치는 매우 정밀한 성능 분석을 가능하게 하며, 아웃오지, BER, 용량 모든 지표에서 분석 결과와 시뮬레이션 결과 간 강력한 일致성을 보였다.