[논문 리뷰] Multi-Antenna Relaying and Reconfigurable Intelligent Surfaces: End-to-End SNR and Achievable Rate

Konstantinos Ntontin, Jaeyoung Song외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 8인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 다양한 CSI 및 네트워크 설정 하에서 HD/FD 릴레이(DF/AF) 및 이상 반사 또는 확산 산란이 있는 RIS 구성에 대해 릴레이 보조 및 RIS 보조 통신의 엔드 투 엔드 SNR 및 달성 가능한 레이트 표현을 도출한다.

ABSTRACT

In this report, we summarize the end-to-end signal-to-noise ratio and the rate of half-duplex, full-duplex, amplify-and-forward, and decode-and-forward relay-aided communications, and well as the signal-to-noise ratio and the rate of the emerging technology known as reconfigurable intelligent surfaces.

연구 동기 및 목표

• 고주파 대역에서 LOS가 차단될 수 있는 상황에서 릴레이와 RIS의 엔드-투-엔드 성능 이점을 동기 부여하고 정량화한다.
• HD/FD 릴레이(DF/AF) 및 RIS 보조 링크에 대한 엔드-투-엔드 SNR의 닫힌 형태 또는 반 닫힌 형태를 제공한다.
• RIS 위상 최적화와 RIS 작동 방식(이상 반사 대 확산 산란)이 SNR 및 속도에 미치는 영향을 보여준다.
• 가용 가능한 최대 레이트를 달성하기 위한 소스와 릴레이 간의 전력 할당(p_S, p_R) 최적화 방법론을 제시한다.
• 실용적 손실 요인(자기 간섭, 루프백 등)을 고려하여 릴레이 기반과 RIS 기반 아키텍처를 비교한다.

제안 방법

• 단일 안테나 소스-목적지 페어가 N_R-안테나 릴레이 또는 N_RIS-요소 RIS에 의해 보조되는 모델을 제시한다.
• DF 및 AF 프로토콜과 함께 HD/FD 릴레이에 대해 MRC/MRT를 릴레이 및 목적지에서 도입하여 엔드-투-엔드 SNR 표현을 도출한다.
• 직접 경로와 RIS 반사 경로의 동기 합성을 최대화하기 위한 최적 위상 편이를 가진 RIS 엔드-투-엔드 SNR을 도출한다.
• RIS regimes를 이상 반사(큰 요소들)와 확산 산란(확산 요소들)으로 특징지어 경로손실 모델에 대한 영향을 설명한다.
• HD/FD 릴레이 및 RIS 보조 링크에 대한 달성 가능한 속도 공식과 최적의 전력 할당(p_S, p_R)을 제공한다.
• FD 릴레이에서의 잔여 자기 간섭과 루프백 효과와 같은 실용적 간섭 요소를 반영한다.
• RIS가 일관된 엔드-투-엔드 신호를 달성하기 위한 위상 일관성 조건을 개략적으로 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD 및 FD 릴레이에서 DF 및 AF 프로토콜 하에 릴레이 보조 및 RIS 보조 링크의 엔드-투-엔드 SNR을 어떻게 표현할 수 있는가?
• RQ2 RIS 요소에 대한 최적의 위상 편은 무엇이며 이것이 엔드-투-엔드 SNR 또는 속도를 어떻게 최대화하는가, 그리고 RIS regimes(이상 vs. 확산)가 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HD/FD 릴레이 및 RIS 시나리오에서 소스와 릴레이 간의 전력 할당을 어떻게 해야 달성 가능한 속도를 최대화할 수 있는가?
• RQ4 FD 릴레이의 자기 간섭이 엔드-투-엔드 성능에 미치는 영향은 무엇이며 어떻게 모델링되는가?
• RQ5 전통적인 릴레이 보조 링크와 RIS 보조 링크 간의 이론적 엔드-투-엔드 속도는 서로 다른 전파 및 하드웨어 가정 하에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 릴레이 보조 및 RIS 보조 통신 모두에서 HD/FD 및 DF/AF 프로토콜에 대한 엔드-투-엔드 SNR 표현이 도출된다.
• RIS의 성능은 직접 경로와 반사 경로를 동기적으로 결합하도록 위상을 설정함으로써 최적화될 수 있으며, 위상이 알려진 경우 최적 위상에 대한 해석적 형태가 제공된다.
• RIS 이상 반사 및 확산 산란 규 regimes은 서로 다른 경로손실 모델과 SNR 스케일링을 초래하며, 달성 가능한 속도 공식에 영향을 준다.
• 소스와 릴레이 간의 최적의 전력 할당은 DF 및 AF 프로토콜 모두에 대해 HD/FD 달성 가능한 속도를 최대화하기 위해 계산될 수 있다.
• FD 릴레이는 루프백 자기 간섭을 도입하며 이는 SINR 표현에 포함되어 HD와의 성능 비교에 영향을 준다.
• 논문은 RIS 기반 구성을 벤치마크하기 위한 닫힌 형태에 가까운 속도 표현 및 최적화 전략을 제공한다.