[논문 리뷰] Impact of Interference on the Performance of RIS-Assisted Source DF Relaying Networks

Doaa Salim, Monjed H. Samuh외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 10.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 레이일라이 계수(fading) 채널에서 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)를 활용한 디코딩 앤 포워딩(DF) 중계 네트워크에서 동일 대역 간섭(CCI)을 조사하며, 외부 간섭이 있는 조건에서 중계 성능에 미치는 영향을 분석한다. 결과적으로, 중계 수 $K$ 는 다각도 순서와 시스템 성능을 크게 향상시키지만, RIS의 반사 요소 수 $N$ 은 코딩 이득에 거의 영향을 주지 않으며 다각도 순서에 영향을 주지 않는다.

ABSTRACT

This letter investigates the impact of co-channel interference (CCI) on the performance of a decode-and-forward (DF) relaying network with a reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted source. We consider one source, multiple DF relays, and one destination with CCI at both the relays and destination. We derive closed-form accurate approximations for the system outage probability assuming Rayleigh fading channels. In addition, we study the system performance at the high signal-to-noise ratio (SNR) regime, where closed-form expressions are derived for the asymptotic outage probability, diversity order, and the coding gain. The results show that the number of reflecting elements N at the source has a small effect on the coding gain of the system and not on the diversity order. Furthermore, findings illustrate that the number of relays K is affecting the diversity order and is more impactful on the performance than N. Finally, results show that utilizing RIS at the source node mitigates the interference effect at the relay nodes.

연구 동기 및 목표

• RIS를 활용한 DF 중계 네트워크에서 동일 대역 간섭(CCI)이 초래하는 성능 저하를 분석하기 위해.
• 레이일라이 계수(fading) 조건 하에서 시스템 외부 간섭 확률에 대한 정확한 닫힌 형태의 근사식을 도출하기 위해.
• 고신호대역비(SNR) 영역에서 다각도 순서와 코딩 이득을 추출하여 성능 분석을 수행하기 위해.
• 원천에 RIS를 도입함으로써 중계 노드에서의 간섭을 완화시키는 영향을 평가하기 위해.
• RIS의 반사 요소 수 $N$ 과 중계 수 $K$ 의 성능 향상 효과를 비교하기 위해.

제안 방법

• 원천이 RIS를 지원하며, $K$ 개의 중계기, 목적지, 그리고 중계기와 목적지에 모두 동일 대역 간섭자가 존재하는 이중호프 DF 중계 시스템을 모델링한다.
• 채널 품질에 기반하여 최적의 중계기를 선택하기 위해 기회적 중계 선택 기법을 사용한다.
• 목적지에서 수신된 신호 대 간섭 및 노이즈 전력 비율인 종단 간 신호 간섭비(SINR)를 종단 간 SINR로 유도한다.
• 간섭 전력에 대해 중심극한정리 근사를 적용하고, 최적의 중계기 선택을 위해 순서통계를 사용한다.
• 이항정리와 적분 항등식(예: [19, 식 (8.351.2)])을 활용하여 CDF 및 외부 간섭 확률에 대한 닫힌 형태의 수식을 유도한다.
• 지수형 CDF의 테일러 급수 전개를 활용한 고신호대역비(SNR) 점근적 분석을 수행하여 다각도 순서와 코딩 이득을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일 대역 간섭(CCI)은 RIS를 활용한 DF 중계 네트워크의 외부 간섭 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 RIS 반사 요소 수 $N$ 이 시스템의 다각도 순서와 코딩 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중계 수 $K$ 는 시스템의 다각도 순서와 전체 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 원천에 RIS를 도입함으로써 중계 노드에서의 간섭 효과는 어느 정도 완화되는가?
• RQ5 고신호대역비(SNR) 영역에서의 점근적 외부 간섭 행동, 다각도 순서, 코딩 이득은 무엇인가?

주요 결과

• 중계 수 $K$ 는 시스템의 다각도 순서에 직접적인 영향을 미치지만, RIS 반사 요소 수 $N$ 은 다각도 순서에 영향을 주지 않는다.
• 코딩 이득 $G_c$ 는 $N$ 에 의해 거의 영향을 받지 않으며, 이는 반사 요소 수를 늘려도 코딩 이득 측면에서 성능 향상이 제한적임을 시사한다.
• 중계 수 $K$ 는 반사 요소 수 $N$ 과 비교해 시스템 성능 향상에 더 큰 영향을 미치며, 성능 향상 측면에서 $K$ 가 더 효과적인 설계 파라미터임을 보여준다.
• 원천에 RIS를 활용함으로써 중계 노드에서의 간섭 효과가 효과적으로 완화되어 신호 복원의 신뢰성이 향상된다.
• 고신호대역비 영역에서 점근적 외부 간섭 확률, 다각도 순서, 코딩 이득에 대한 닫힌 형태의 수식이 유도되고 검증되었다.
• 유도된 외부 간섭 확률 근사식은 낮은 반사 요소 수를 포함한 임의의 $N$ 에 대해서도 정확하며, 중심극한정리에 의존하지 않는다.