[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided Communication: Capacity and Performance Analysis Over Rician Fading Channel

Chandradeep Singh, Chia-Hsiang Lin|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 20인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 라이케이 페이딩 채널 상에서 재구성 가능 지능 표면(RIS) 기반 mmWave 통신에서 에르고딕 용량과 평균 심볼 오류 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 제안한다. 채널 상태 정보(CSI)가 알려진 경우와 알려지지 않은 경우를 모두 분석하여, 저신호대역비(SNR) 및 고 fading 환경에서 워터 필링을 통한 적응형 전력 제어가 성능을 향상시킴을 보이며, 대규모 RIS 어플라이언스는 송신기의 CSI 필요성을 감소시킴을 밝혀낸다.

ABSTRACT

In this work, we consider a single input single output (SISO) system for Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) assisted mmWave communication. We consider Rician channel models over user node to RIS and RIS to Access Point (AP). We obtain closed form expressions for capacity with channel state information (CSI) and without CSI at the transmitter. Newly derived capacity expressions are closed form expressions in a very compact form. We also simplified the closed form expressions for average symbol error probability. We also characterize the impacts of key parameters Rician factor K and number of elements on IRS on ergodic capacity with CSI and without CSI at the transmitter.

연구 동기 및 목표

• Rician 페이딩 채널 상에서 RIS 보조 SISO 시스템의 에르고딕 용량에 대해 간결하고 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• 송신기에서 CSI 유무에 관계없이 Rician 요소 $K$와 RIS 요소 수 $N$ 이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• CSI 지식 하에서 용량 최대화를 위한 워터 필링 전력 제어의 효과를 평가하기 위해.
• 특히 저신호대역비 또는 고 fading 환경에서 CSI 기반 전력 적응이 필요한 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 종단 간 채널 이득을 i.i.d. Rician 난수 변수들의 합으로 모델링하기 위해 라게르 표 series 방법을 사용하여 채널 분포를 유도한다.
• 에르고딕 용량을 폐쇄형으로 표현하기 위해 메이저 G-함수와 일반화된 하이퍼기하급수 함수를 사용한다.
• CSI를 활용한 워터 필링 전력 제어를 적용하여 에르고딕 용량을 최대화하며, 메이저 G-함수를 포함한 적분 표현식을 통해 유도한다.
• 동일한 분포 프레임워크를 사용하여 평균 심볼 오류 확률(ASEP)을 단순화된 폐쇄형으로 유도한다.
• 성능 비교를 위해 통계적 CSI 및 순간적 CSI 조건 하에서 시스템을 특성화한다.
• 다양한 $K$, $N$, 및 SNR 영역에서 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 보조 SISO 시스템의 에르고딕 용량은 송신기에서 CSI가 있는 경우와 없는 경우 Rician 페이딩 채널에서 어떻게 행동하는가?
• RQ2 Rician 요소 $K$와 RIS 요소 수 $N$ 이 에르고딕 용량과 적응형 전력 제어의 필요성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어떤 SNR 영역에서 워터 필링 전력 제어가 일정 전송 전력보다 용량 향상에 뚜렷하게 기여하는가?
• RQ4 대규모 RIS 어플라이언스에서는 어떤 조건에서 CSI 기반 전력 적응이 필요 없어지는가?

주요 결과

• 메이저 G-함수와 라게르 표 시리즈 근사법을 사용하여, CSI 유무에 관계없이 에르고딕 용량에 대해 새로운 간결한 폐쇄형 표현식을 유도하였다.
• 저신호대역비 및 고 fading(낮은 $K$) 영역에서 워터 필링 전력 제어는 에르고딕 용량을 뚜렷이 향상시키며, 특히 $N$ 이 작을 경우 더욱 두드러진다.
• 높은 $K$ 값(강한 직시선(LoS) 성분)에서는 평균 전력로 전송하는 것만으로도 워터 필링 성능에 거의 근접하여, CSI 피드백의 필요성이 감소함을 시사한다.
• $N$ 이 크면서도(예: $N=5$), 낮은 $K$ 인 경우에도 적응형 전력 제어 없이도 높은 용량을 달성하여 채널 추정 오버헤드를 줄일 수 있다.
• 수치 결과는 $N$ 을 증가시키면 채널의 무작위성이 상쇄되어 CSI 기반 전력 제어의 중요성이 대규모 RIS 시스템에서는 감소함을 확인한다.
• 유도된 ASEP 표현식은 단순화되어 있으며 해석적으로 다룰 수 있어, 낮은 계산 비용으로 Rician 페이딩 하에서 성능 평가가 가능하다.