[논문 리뷰] Non-Coherent Modulation for RIS-Empowered Multi-Antenna OFDM Communications

Kun Hu, George C. Alexandropoulos외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 41인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 채널 상태 정보(CSI)가 필요 없이 고속 이동성 또는 급격히 변하는 fading 환경에서의 교육 오버헤드와 복잡성을 줄이기 위해 비일관성 있는 차등 위상 시프트 키싱(DPSK) 기반의 RIS-강화 다중 안테나 OFDM 시스템을 제안한다. 시스템은 현실적이고 이상적인 채널 모델 하에서 폐쇄형 SINR 및 심볼 오류 확률(SEP) 표현을 통해 강건한 성능을 달성하며, 시간이 변하는 및 상관관계가 있는 상황에서 일관성 있는 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

The Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) constitutes one of the prominent technologies for the next 6-th Generation (6G) of wireless communications. It is envisioned to enhance signal coverage in cases where obstacles block the direct communication from Base Stations (BSs), and when high carrier frequencies are used that are sensitive to attenuation losses. In the literature, the exploitation of RISs is exclusively based on traditional coherent demodulation, which necessitates the availability of Channel State Information (CSI). Given the CSI, a multi-antenna BS or a dedicated controller computes the pre/post spatial coders and the RIS configuration. The latter tasks require significant amount of time and resources, which may not be affordable when the channel is time-varying or the CSI is not accurate enough. In this paper, we consider the uplink between a single-antenna user and a multi-antenna BS and present a novel RIS-empowered Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) communication system based on the differential phase shift keying, which is suitable for high noise and/or mobility scenarios. Considering both an idealistic and a realistic channel model, analytical expressions for the Signal-to-Interference and Noise Ratio (SINR) and the Symbol Error Probability (SEP) of the proposed non-coherent RIS-empowered system are presented. Our extensive computer simulation results verify the accuracy of the presented analysis and showcase the proposed system's performance and superiority over coherent demodulation in different mobility and spatial correlation scenarios.

연구 동기 및 목표

• RIS-강화 일관성 시스템에서 CSI 추정의 높은 교육 오버헤드와 복잡성을 해결하기 위해, 특히 시간이 변하는 또는 고속 이동 환경에서의 적용을 목적으로 한다.
• 수신기에서 순간적인 CSI가 필요 없이 작동하는 비일관성 있는 RIS-OFDM 통신 시스템을 개발하기 위해.
• 이상적이고 현실적인 채널 모델 하에서 SINR 및 SEP에 대한 분석적 표현을 유도하여 시스템 성능을 평가하기 위해.
• 이동성과 공간 상관관계에 대한 강건성 측면에서 비일관성 디모듈레이션 기법이 일관성 방법보다 뛰어난 성능을 보임을 입증하기 위해.

제안 방법

• 비일관성 디모듈레이션을 위해 차등 위상 시프트 키싱(DPSK)을 활용하여 수신기에서 채널 상태 정보(CSI)가 필요 없도록 한다.
• 단일 안테나 사용자와 다중 안테나 기지국을 갖는 RIS-강화 업링크 OFDM 시스템을 모델링하며, BS-RIS 및 RIS-UE 링크에 대해 레이일라이트 페이딩을 적용한다.
• 초과 원리와 레이일라이트 분포 채널 계수의 통계적 성질을 활용하여 평균 간섭 전력과 교차항에 대한 폐쇄형 표현을 유도한다.
• 벡터 $ \tilde{\mathbf{a}}_n(c_\beta,r_\beta,c_\alpha r_\alpha) $ 를 통해 기지국 안테나와 RIS 요소의 상관관계를 통합한 공동 공간 상관 모델을 도입하여 복합 공간 응답을 기록한다.
• 채널 이득 $ |\alpha_n^{cr}|^2 $ 와 $ |\beta_n^{cr}|^2 $ 의 두 번째 순서 통계적 모멘트를 사용하며, 알려진 평균과 분산을 갖는 지수 분포를 가정한다.
• 채널 이득과 어레이 응답 벡터의 곱에 대한 대수적 변환 및 기대값 계산을 통해 SINR 및 SEP 표현을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비일관성 있는 RIS-OFDM 시스템은 CSI 추정 또는 피드백이 없이도 신뢰할 수 있는 통신을 달성할 수 있는가?
• RQ2 고속 이동성 또는 급격히 변하는 fading 환경에서 제안된 비일관성 시스템의 성능은 일관성 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 실제 및 이상적인 채널 모델 하에서 RIS-강화 OFDM 시스템의 SINR 및 SEP에 대한 분석적 표현은 무엇인가?
• RQ4 기지국과 RIS에서의 공간 상관관계 및 도플러 스프레드는 비일관성 RIS-OFDM 시스템의 오류 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시간이 변하는 및 상관관계가 있는 채널 조건에서 제안된 시스템은 일관성 방법 대비 강건성과 성능 향상을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 비일관성 RIS-OFDM 시스템은 CSI가 없이도 신뢰할 수 있는 통신을 달성하며, 교육 오버헤드와 시스템 복잡성을 크게 줄였다.
• SINR 및 SEP에 대한 폐쇄형 분석 표현이 유도되었으며, 시뮬레이션을 통해 검증되어 다양한 이동성 및 상관관계 시나리오에서 높은 정확도를 보였다.
• 채널 추정 오차와 피LOT 오버헤드에 대한 민감도가 낮아 고속 이동 환경에서 일관성 디모듈레이션보다 우수한 성능을 보였다.
• 강한 공간 상관관계와 높은 도플러 스프레드 조건에서 성능 향상이 특히 두드러졌으며, 이는 일관성 방법이 빠른 CSI 노후화로 인해 약화되기 때문이다.
• 유도된 SINR 및 SEP 표현은 RIS 구성, 공간 상관관계, 도플러 스프레드가 시스템 성능에 미치는 영향을 정확히 반영한다.
• 시뮬레이션 결과는 비일관성 방법이 시간이 변하는 채널에서 안정적인 오류 평면을 유지하며, CSI에 의존하는 일관성 방법보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성함을 확인했다.