[논문 리뷰] Multi-RIS-aided Wireless Systems: Statistical Characterization and Performance Analysis

Tri Nhu, Georges Kaddoum외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 40인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 크기가 다름과 동시에 독립적이고 동일하지 않은 분포(i.n.i.i.d.) fading 채널을 가지는 분산형 RIS를 갖는 다중 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS)-기반 무선 시스템의 통계적 특성화를 제안한다. 모멘트 방법을 사용하여 종단 간 채널 분포에 대한 근사적인 폐형 표현식을 유도하며, 채널 세기의 분포로 감마 또는 로그정규 분포가 적합함을 보여준다. 또한 오차율 확률과 에르고딕 용량 측면에서 오래된 RIS-기반(ERA) 방식이 유망한 RIS-기반(ORA) 방식보다 우수하다.

ABSTRACT

In this paper, we study the statistical characterization and modeling of distributed multi-reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided wireless systems. Specifically, we consider a practical system model where the RISs with different geometric sizes are distributively deployed, and wireless channels associated to different RISs are assumed to be independent but not identically distributed (i.n.i.d.). We propose two purpose-oriented multi-RIS-aided schemes, namely, the exhaustive RIS-aided (ERA) and opportunistic RIS-aided (ORA) schemes. A mathematical framework, which relies on the method of moments, is proposed to statistically characterize the end-to-end (e2e) channels of these schemes. It is shown that either a Gamma distribution or a Log-Normal distribution can be used to approximate the distribution of the magnitude of the e2e channel coefficients in both schemes. With these findings, we evaluate the performance of the two schemes in terms of outage probability (OP) and ergodic capacity (EC), where tight approximate closed-form expressions for the OP and EC are derived. Representative results show that the ERA scheme outperforms the ORA scheme in terms of OP and EC. In addition, under i.n.i.d. fading channels, the reflecting element settings and location settings of RISs have a significant impact on the system performance of both the ERA or ORA schemes.

연구 동기 및 목표

• 실제 환경에서 분산형이며 비동일한 RIS를 갖는 다중 RIS-기반 시스템에 대한 통계적 모델링의 부족을 해결하기 위해.
• i.n.i.i.d. 페이딩 조건 하에서 종단 간(e2e) 채널 통계를 특성화하기 위한 수학적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 실용적인 다중 RIS 방식인 오래된 RIS-기반(ERA) 및 유망한 RIS-기반(ORA)을 제안하고 비교하기 위해.
• 오차율 확률(OP) 및 에르고딕 용량(EC)과 같은 핵심 성능 지표에 대한 날카운 근사 폐형 표현식을 유도하기 위해.
• i.n.i.i.d. 페이딩 하에서 RIS 반사 요소 설정 및 배치 위치가 시스템 성능에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• i.n.i.i.d. 레이일리 페이딩을 갖는 다중 RIS 시스템에서 종단 간 채널 세기의 통계적 특성화를 위해 모멘트 방법을 적용한다.
• 시리즈 전개와 Pochhammer 기호를 사용하여 종단 간 채널 계수의 근사 모멘트 생성 함수(MGF)를 유도한다.
• Lauricell 함수 유형-A를 사용하여 MGF를 폐형으로 표현함으로써 채널 분포의 통계적 근사를 가능하게 한다.
• 모멘트 매칭 기반으로 종단 간 채널 세기의 근사로 감마 분포와 로그정규 분포를 사용한다.
• 유도된 MGF 및 분포 근사를 활용하여 오차율 확률 및 에르고딕 용량에 대한 날카운 폐형 표현식을 유도한다.
• 다양한 RIS 구성 조건 하에서 성능 지표를 비교함으로써 분석 프레임워크의 타당성을 수학적 유도를 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 i.n.i.i.d. 페이딩 채널을 갖는 다중 RIS 시스템에서 종단 간 채널 세기 분포는 어떻게 통계적으로 특성화할 수 있는가?
• RQ2 오차율 확률 및 에르고딕 용량 측면에서 오래된 RIS-기반(ERA) 및 유망한 RIS-기반(ORA) 방식 간의 성능 차이는 무엇인가?
• RQ3 i.n.i.i.d. 페이딩 하에서 RIS 반사 요소 수와 설치 위치는 시스템 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 다중 RIS 시스템에서 종단 간 채널 세기는 감마 또는 로그정규 분포로 정확하게 근사할 수 있는가?
• RQ5 RIS 기하학적 구조 및 채널 상관관계는 다중 RIS-기반 시스템의 통계적 모델링에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모멘트 매칭을 통해 ERA 및 ORA 방식 모두에서 종단 간 채널 세기를 감마 또는 로그정규 분포로 정확하게 근사할 수 있다.
• 오래된 RIS-기반(ERA) 방식은 유망한 RIS-기반(ORA) 방식보다 낮은 오차율 확률과 높은 에르고딕 용량을 달성한다.
• 모멘트 방법과 Lauricell 함수 표현을 통해 오차율 확률 및 에르고딕 용량에 대한 날카운 폐형 표현식이 유도되었다.
• 반사 요소 설정 및 RIS 설치 위치는 i.n.i.i.d. 페이딩 조건 하에서 시스템 성능에 중대한 영향을 미친다.
• 유도된 MGF 표현식을 통해 몬테카를로 시뮬레이션에 의존하지 않고도 정확한 성능 평가가 가능하다.
• 수학적 유도 및 모멘트 매칭 기법을 통한 정확도 검증을 통해 신뢰할 수 있는 시스템 설계를 위한 신뢰성 확보가 이루어졌다.