[논문 리뷰] Performance Evaluation and Diversity Analysis of RIS-Assisted Communications Over Generalized Fading Channels in the Presence of Phase Noise

Imène Trigui, Wessam Ajib외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 편향 없는 평균을 가진 일반화된 fading 채널에서 위상 노이즈를 고려한 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS) 지원 통신의 성능 평가를 위한 통합 분석 프레임워크를 제안한다. 포크의 H-분포를 사용하여 fading을 모델링하며, 중단 확률과 분산 차수에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다. RIS 시스템은 두 개의 반사 요소 간의 절대 위상 오차 차이가 $\pi/2$ 이하일 경우, 위상 노이즈가 존재하더라도 여전히 완전한 분산 차수를 달성함을 보여준다. 이 프레임워크는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 반사 요소의 임의의 수와 다양한 fading/위상 노이즈 분포에 적용 가능하다.

ABSTRACT

In this paper, we develop a comprehensive theoretical framework for analyzing the performance of reconfigurable intelligent surfaces (RISs)-assisted communication systems over generalized fading channels and in the presence of phase noise. To this end, we propose the Fox's H model as a unified fading distribution for a large number of widely used generalized fading channels. In particular, we derive a unified analytical framework for computing the outage probability and for estimating the achievable diversity order of RIS-aided systems in the presence of phase shifts that either are optimally configured or are impaired by phase noise. The resulting expressions are general, as they hold for an arbitrary number of reflecting elements, and various channel fading and phase noise distributions. As far as the diversity order is concerned, notably, we introduce an asymptotic analytical framework for determining the diversity order in the absence of phase noise, as well as sufficient conditions based on upper bounds and lower bounds for ensuring that RIS-assisted systems achieve the full diversity order in the presence of phase noise. More specifically, if the absolute difference between pairs of phase errors is less than $π/2$, RIS-assisted communications achieve the full diversity order over independent fading channels, even in the presence of phase noise. The theoretical frameworks and findings are validated with the aid of Monte Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 일반화된 fading 및 위상 노이즈 하에서 RIS 보조 통신 시스템을 분석하기 위한 통합 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 다양한 fading 모델을 통합적으로 표현할 수 있는 포크의 H-분포를 사용하여 종단 간 채널 분포를 모델링하는 것.
• 위상 노이즈 존재 하에서 중단 확률과 분산 차수에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하는 것.
• 위상 노이즈 하에서 완전한 분산 차수를 달성하기 위한 충분한 조건, 특히 위상 오차 차이가 제한되어 있을 경우를 규명하는 것.
• 다양한 채널 및 노이즈 구성 조건에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하는 것.

제안 방법

• 포크의 H-분포를 일반화된 fading 채널의 통합 모델로 채택하여 레이일리, 라이카니, 나카가미-m를 포함한 광범위한 일반화된 fading 채널 클래스를 표현한다.
• 종단 간 채널 이득을 송신기에서 RIS로, 그리고 RIS에서 수신기로의 라이카니 fading 성분을 나타내는 두 개의 복소 가우시안 랜덤 변수의 곱으로 모델링한다.
• 메린-바니스 적분 표현식과 가우스 기하급수 함수의 성질을 사용하여 제곱 채널 이득의 누적분포함수(CDF)를 유도한다.
• 고신호대역률(SNR) 영역를 다루고 큰 수의 RIS 요소를 포함하는 표현식을 단순화하기 위해 오일러-가우스 극한을 사용한 점근적 분석을 수행한다.
• 중단 확률에 대한 상한 및 하한을 통해 분산 차수를 분석하며, 위상 노이즈 하에서 완전한 분산 차수를 달성하기 위한 조건을 도출한다.
• 위상 노이즈는 $[-\pi, \pi]$ 위상 구간에서 균일 분포로 모델링되며, 수정된 위상 오차 분포를 통해 통계적 채널 모델에 영향을 미친다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반화된 fading 채널에서 위상 노이즈를 고려한 RIS 보조 시스템의 성능 평가를 위한 통합 분석 프레임워크를 어떻게 개발할 수 있는가?
• RQ2 위상 노이즈는 RIS 보조 시스템의 중단 확률과 분산 차수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 위상 노이즈 존재 하에서 RIS 보조 시스템이 완전한 분산 차수를 달성할 수 있는 조건는 무엇인가?
• RQ4 RIS 요소의 수가 위상 노이즈 하에서 시스템 성능과 분산 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 포크의 H-분포는 상관 있는 fading 성분을 가진 RIS 보조 시스템에서 종단 간 채널 이득을 정확하게 표현할 수 있는가?

주요 결과

• 포크의 H-분포는 레이일리, 라이카니, 나카가미-m fading을 포함하는 통합 모델을 제공하여 RIS 보조 시스템의 일반적 분석을 가능하게 한다.
• 임의의 수의 RIS 요소와 다양한 fading 및 위상 노이즈 분포에 대해 중단 확률에 대한 닫힌 형태의 표현식이 도출되었다.
• 두 요소 간의 위상 오차 절대 차이가 $\pi/2$ 이하일 경우, 위상 노이즈가 존재하더라도 분산 차수가 완전히 달성된다.
• 위상 노이즈가 $[-\pi, \pi]$ 구간에서 균일 분포일 경우, 동일한 조건 하에서 점근적 분석을 통해 여전히 완전한 분산 차수를 달성함을 입증하였다.
• 분석 결과는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 다양한 신호대역률 영역 및 시스템 구성에서 정확도를 확인하였다.
• 이 프레임워크는 이전 연구에서 사용된 중심극한정리 기반 근사치가 소형 RIS에 대해서는 정확하지 않음을 드러내었으며, 특히 고신호대역률 영역에서 그러하다.