[논문 리뷰] Performance Analysis of an Interference-Limited RIS-Aided Network

Liang Yang, Yin Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 15.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 14인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 레이일라이히 fading 하에서 동일 대역 간섭(Co-channel interference, CCI) 하에서 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 지원 시스템의 성능을 분석하며, 외부 간섭이 있는 상황에서 탈락 확률(OP), 평균 비트 오류율(BER), 에르고딕 용량의 정확한 표현을 유도한다. RIS의 요소 수와 간섭자 수가 시스템 성능에 결정적인 영향을 미치며, Rician fading 파rameter와 간섭 수준이 성능을 심각하게 악화시킴을 보여준다.

ABSTRACT

In this work, the performance of reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided communication systems corrupted by the co-channel interference (CCI) at the destination is investigated. Assuming Rayleigh fading and equal-power CCI, we present the analysis for the outage probability (OP), average bit error rate (BER), and ergodic capacity. In addition, an asymptotic outage analysis is carried in order to obtain further insights. Our analysis shows that the number of reflecting elements as well as the number of interferers have a great impact on the overall system performance.

연구 동기 및 목표

• 기존 연구에서 간과된 바람직한 시나리오인 RIS 보조 무선 시스템에서 동일 대역 간섭(CCI)의 영향을 분석하기 위해.
• 레이일라이히 fading 하에서 동일 전력 간섭을 고려한 정확한 성능 지표—탈락 확률(OP), 평균 BER, 에르고딕 용량—을 유도하기 위해.
• 고신호 대역비(SNR)에서의 다양성 순서와 시스템 거동을 밝혀내기 위해 점근적 탈락 분석을 제공하기 위해.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 분석 결과의 검증과 함께 실용적인 위상 이격의 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 시스템 모델은 단일 안테나 송신기와 단일 안테나 수신기가 N개의 반사 요소를 가진 RIS를 통해 통신하는 것을 가정하며, L개의 동일 전력 간섭자로부터 간섭을 받는다.
• 완전한 채널 상태 정보(CSI)가 RIS에 존재한다고 가정하여 최적의 위상 이격을 통해 신호 대 간섭비(SIR)를 최대화할 수 있도록 효과적인 SIR를 유도한다.
• 수신 링크에 대해 제곱된 K_G 분포를, 간섭에 대해 카이제곱 분포를 사용하여 SIR의 확률밀도함수(PDF)를 모델링함으로써 정확한 성능 분석을 가능하게 한다.
• 일반화된 메이저 G-함수와 특수 함수를 사용하여 OP, 평균 BER, 에르고딕 용량의 정확한 표현을 도출한다.
• 다양성 순서와 고신호 대역비(SNR) 행동을 밝혀내기 위해 점근적 탈락 표현을 유도한다.
• 수치적 결과는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 표현의 정확성을 검증하며, 진폭 손실을 수반하는 실용적인 위상 이격 모델도 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전한 CSI 하에서 RIS 보조 시스템에서 동일 대역 간섭(CCI)이 탈락 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 RIS 보조 시스템에서 CCI와 레이일라이히 fading 하에서 평균 비트 오류율(BER)의 정확한 표현은 무엇인가?
• RQ3 RIS 반사 요소 수(N)와 간섭자 수(L)는 에르고딕 용량과 다양성 이득에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 점근적 탈락 행동는 어떠한가? CCI 존재 하에서 도달 가능한 다양성 순서는 무엇인가?
• RQ5 실용적인 위상 이격(예: 진폭 손실, ω_min = 0.8)은 이상적인 위상 이격에 비해 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 시나리오에서 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 정확히 일치하는 탈락 확률, 평균 BER, 에르고딕 용량의 유도된 분석 표현을 확보하였다.
• 시스템의 다양성 순서는 RIS 링크의 Rician fading 모델의 형태 파rameter k와 m에 따라 (k + m)/2로 결정됨을 확인하였다.
• RIS 반사 요소 수(N)를 증가시키면 시스템 성능이 뚜렷이 향상되며, 탈락 확률과 BER이 감소함을 확인하였다.
• 간섭 전력(P_I)과 간섭자 수(L)가 증가할수록 시스템 성능이 악화되며, P_I 또는 L이 증가할수록 탈락 확률이 증가함을 관찰하였다.
• 점근적 탈락 표현은 다양성 순서가 간섭자 수와 무관하지만, 다양성 이득은 Rician fading 파rameter에 의해 제한됨을 확인하였다.
• 실용적인 위상 이격(예: ω_min = 0.8)은 고신호 대역비에서 이상적인 위상 이격에 비해 명백한 성능 격차를 유도함을 확인하였다.