[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface-Empowered Code Index Modulation for High-Rate SISO Systems

Fatih Çögen, Burak Ahmet Özden외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 26.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스팸딩 코드 인덱스와 RIS 반사 제어를 활용하여 고속 SISO 시스템에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키는 재구성 가능한 지능형 표면-기반 코드 인덱스 변조(CIM-RIS) 시스템을 제안한다. 시뮬레이션 결과, 기존 RIS 대비 최대 19.86 dB의 SNR 향상을 보이며, RIS의 위상 이동을 통한 기호 및 코드 인덱스의 공동 변조로 더 높은 데이터 전송 속도와 낮은 에너지 소비를 달성한다.

ABSTRACT

In this study, a novel index modulation based communication system is proposed by combining the recently popular code index modulation-spread spectrum (CIM-SS) and reconfigurable intelligent surface (RIS) techniques. This technique is called CIM-RIS in short. In this proposed system, in addition to the traditional modulated symbols, the spreading code indices also carry data by being embedded in the signal, and the reflection/scattering properties of the signals are voluntarily controlled via the RIS technique. Consequently, the proposed system consumes little energy while transmitting extra bits of information compared to the traditional RIS. Average bit-error error (ABER) analysis of the proposed system is carried out and the system complexity, energy efficiency, and throughput analyses are obtained. Performance analysis of the system is carried out on Rayleigh fading channels for the M-ary quadrature amplitude modulation (QAM) technique. It has been shown by computer simulations that the CIM-RIS scheme has better error performance, faster data transmission speed, and lower transmission energy, compared to traditional RIS, transmit spatial modulation aided RIS (TSM-RIS) and transmit quadrature spatial modulation based RIS (TQSM-RIS) techniques.

연구 동기 및 목표

• IoT 및 멀티미디어 응용 분야에서 증가하는 고속 데이터 전송, 에너지 효율적인 무선 통신 수요를 충족시키기 위해.
• 모든 비트를 고차원 QAM을 통해 전송함으로써 에너지 소비와 오류율이 증가하는 기존 RIS 시스템의 한계를 극복하기 위해.
• 스팸딩 코드 인덱스를 추가 정보 영역로 활용하여 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)과 코드 인덱스 변조(CIM)를 통합하여 레이일라이 페이딩 채널에서 성능을 향상시키기 위해.
• 현실적인 페이딩 조건 하에서 시스템 복잡도, Throughput, 에너지 효율성, 비트 오류율(BER) 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 코드 인덱스 변조(CIM)와 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 결합하며, 데이터 비트는 변조 기반 기호(M-QAM)와 스팸딩 코드 인덱스(월라시-하다마드 코드)로 분할된다.
• RIS 요소는 신호 반사 위상 제어를 통해 빔포밍을 통해 추가 정보를 전달하며, 추가 전력 없이도 공간 multiplexing를 가능하게 한다.
• 송신기는 각 타임슬롯에 하나의 활성 기호를 선택된 스팸딩 코드로 전송하며, 코드 인덱스가 일부 데이터를 반영하고, RIS 위상 이동을 통해 추가 비트를 더 전달한다.
• 수신기는 공동 검출을 수행한다: 먼저 상관관계를 통해 스팸딩 코드 인덱스를 추정하고, 그 다음 M-QAM 기호를 디모듈레이션하여 데이터를 복원한다.
• 시스템 성능는 레이일라이 페이딩 채널에서 평균 비트 오류율(ABER), 에너지 효율성, Throughput 지표를 사용해 분석된다.
• 시뮬레이션은 RIS 요소 수(N=16에서 128)와 비트 적재량(u=8에서 11)이 변화하는 조건에서 CIM-RIS를 기존 RIS, TSM-RIS, TQSM-RIS와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CIM-RIS는 레이일라이 페이딩 채널에서 기존 RIS 대비 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 기호 변조와 스팸딩 코드 인덱스에 비트를 분배할 경우 오류 성능과 시스템 복잡도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 RIS 요소 수(N)가 CIM-RIS 시스템의 BER 및 SNR 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 SNR 향상과 비트 오류율 측면에서 CIM-RIS는 TSM-RIS 및 TQSM-RIS에 비해 어떤 성능 차이를 보이는가?
• RQ5 제안된 CIM-RIS 아키텍처에서 데이터 전송 속도, 에너지 효율성, 시스템 복잡도 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• N=64 및 u=10 비트일 때, CIM-RIS 시스템은 기존 RIS 대비 19.86 dB의 SNR 향상을 보이며 뛰어난 오류 성능을 입증한다.
• N=128 및 u=8 비트일 때, CIM-RIS 시스템은 기존 RIS 대비 14.2 dB의 SNR 향상을 보이며, TQSM-RIS 및 TSM-RIS 대비 각각 119 dB 및 124 dB의 SNR 향상을 기록한다.
• u=11 비트 및 N=32일 때, CIM-RIS 시스템은 TSM-RIS 대비 112.8 dB, TQSM-RIS 대비 117.68 dB의 SNR 향상을 기록하여 고데이터 부하 조건에서도 뛰어난 강건성을 입증한다.
• RIS 요소 수(N)가 증가할수록 오류 성능이 향상되며, 스팸딩 코드 인덱스에 할당된 비트 수가 증가할수록 BER이 감소한다.
• 스팸딩 코드 인덱스와 RIS 위상 이동의 효율적 활용 덕분에, 기존 RIS, TSM-RIS, TQSM-RIS보다 전송 에너지가 현저히 낮고 데이터 전송 속도가 더 높은 성능을 보인다.
• 3D BER 성능 분석 결과, 반사 요소 수(N)와 스팸딩 코드 인덱스 수(L)가 증가할수록 신뢰성이 향상되며, M-QAM 차수 증가 시 성능은 악화됨을 확인한다.