[논문 리뷰] Performance Analysis of Distributed Intelligent Reflective Surfaces for Wireless Communications

Diluka Galappaththige, Dhanushka Kudathanthirige외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 무선 통신에서 분산형 지능형 반사면(IRS)의 성능 분석을 제시하며, 나카가미-m fading 하에서 중단 확률, 구현 가능한 속도, 심볼 오류율에 대한 폐쇄형 근사식을 유도한다. 분산형 수동 IRS는 활성 RF 체인 없이도 전체 다양성 이득과 어레이 이득을 달성할 수 있으며, 위상 제어 반사에 의한 건설적 신호 합산을 통해 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this paper, a comprehensive performance analysis of a distributed intelligent reflective surfaces (IRSs)-aided communication system is presented. First, the optimal signal-to-noise ratio (SNR), which is attainable through the direct and reflected channels, is quantified by controlling the phase shifts of the distributed IRS. Next, this optimal SNR is statistically characterized by deriving tight approximations to the exact probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) for Nakagami-$m$ fading. The accuracy/tightness of this statistical characterization is investigated by deriving the Kullback-Leibler divergence. Our PDF/CDF analysis is used to derive tight approximations/bounds for the outage probability, achievable rate, and average symbol error rate (SER) in closed-form. To obtain useful insights, the asymptotic outage probability and average SER are derived for the high SNR regime. Thereby, the achievable diversity order and array gains are quantified. Our asymptotic performance analysis reveals that the diversity order can be boosted by using distributed passive IRSs without generating additional electromagnetic (EM) waves via active radio frequency chains. Our asymptotic rate analysis shows that the lower and upper rate bounds converge to an asymptotic limit in large reflective element regime. Our analysis is validated via Monte-Carlo simulations. We present a rigorous set of numerical results to investigate the performance gains of the proposed system model. Our analytical and numerical results reveal that the performance of single-input single-output wireless systems can be boosted by recycling the EM waves generated by a transmitter through distributed passive IRS reflections to enable constructive signal combining at a receiver.

연구 동기 및 목표

• 수신기에서 위상 이동된 신호의 건설적 합산을 통해 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키기 위한 분산형 지능형 반사면(IRS)의 성능 분석.
• 직접 경로 및 반사 경로 모두에서 나카가미-m 페이딩 하에서의 종단 간 SNR 분포에 대한 날카운 통계 근사식 유도.
• 실용적 시스템 설계를 위한 중단 확률, 구현 가능한 속도, 평균 심볼 오류율(SER) 등의 핵심 성능 지표를 폐쇄형으로 정량화.
• 위상 이득 양자화 오차와 공간적으로 상관된 페이딩이 시스템 신뢰성 및 성능에 미치는 영향 조사.
• 고 SNR에서의 점 渐진 성능 한계를 확립하여 시스템의 확장성과 내성 평가, 다양성 순서 및 어레이 이득을 포함함.

제안 방법

• 수신기에서 건설적 신호 합산을 극대화하기 위해 분산형 IRS의 위상 이동을 공동으로 제어하여 최적의 SNR를 유도.
• 라플라스 변환 및 모멘트 생성 함수(MGF) 기법을 사용하여 나카가미-m 페이딩 하에서 종단 간 SNR의 확률 밀도 함수(PDF) 및 누적 분포 함수(CDF)를 근사.
• 테일러 급수 전개 및 점 渐진 분석을 적용하여 저 SNR 근처의 PDF 및 CDF를 모델링하고, 중단 및 SER 식 유도 가능.
• 고 SNR에서의 SNR 분포의 점 渐진 행동을 이용하여 중단 확률 및 평균 SER에 대한 폐쇄형 식 유도.
• IRS에서 공간적으로 상관된 페이딩을 위한 통계 모델을 도입하고, 위상 이득 양자화 오차로 인한 성능 열화 정량화.
• 다양한 채널 조건에서 분석 결과의 정확성과 근사의 날카로움을 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 수동 반사 요소에 걸쳐 제어 가능한 위상 이동을 갖는 분산형 IRS 보조 시스템에서 최적의 구현 가능한 SNR는 무엇인가?
• RQ2 나카가미-m 페이딩 하에서 종단 간 SNR의 PDF 및 CDF는 어떻게 행동하며, 폐쇄형으로 날카로운 근사가 가능한가?
• RQ3 고 SNR 영역에서의 점 渐진 중단 확률과 평균 SER은 무엇이며, 달성 가능한 다양성 및 어레이 이득은 무엇인가?
• RQ4 위상 이득 양자화 오차와 공간적으로 상관된 페이딩은 실용적 IRS 구현에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 활성 RF 체인 없이 추가 전자기파 생성 없이 수동 IRS는 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 활성 RF 체인을 요구하지 않으며, $ m_s N L + m_u $ 의 다양성 순서를 달성한다. 여기서 $ m_s $, $ m_u $ 는 페이딩 매개변수이고, $ N $, $ L $ 은 IRS의 수와 각 IRS의 반사 요소 수이다.
• 점 渐진 중단 확률은 $ ar{ ho}^{-G_d} $ 로 스케일링되며, $ G_d = m_s N L + m_u $ 이다. 이는 분산형 수동 IRS가 전체 다양성 이득을 달성함을 확인한다.
• 구현 가능한 속도는 반사 요소 수가 많아지는 영역에서 날카로운 점 渐진 한계에 수렴하며, 하한 및 상한이 동일한 값에 수렴한다.
• 위상 이득 양자화 오차와 공간적으로 상관된 페이딩은 성능을 열화시키지만, IRS의 수동성과 건설적 빔포밍 덕분에 시스템은 여전히 내성적이다.
• 평균 심볼 오류율(SER)은 $ G_d = m_s N L + m_u $ 의 다양성 이득을 보이며, 점 渐진 SER는 $ ar{ ho}^{-G_d} $ 로 스케일링되어 고 SNR에서의 내성성을 확인한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 근사식이 다양한 시스템 구성에서 정확하고 근사가 날카로운 것으로 확인되었으며, 유도된 PDF, CDF, 중단 및 SER 식의 정밀도가 입증되었다.