[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted Communications with Discrete Phase Shifts: How Many Quantization Levels are Required to Achieve Full Diversity?

Peng Xu, Gaojie Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS)가 무선 통신에서 최대 다변화 순서를 달성하기 위해 필요한 단계 양자화 수준의 최소 수를 조사한다. 이는 L ≥ 3일 때 최소 3개의 양자화 수준이 최대 다변화 순서 N을 달성하는 데 필수적이고 충분함을 증명하며, L = 2일 경우 다변화 순서가 최대 (N+1)/2로 제한됨을 보여준다. 시뮬레이션 결과는 L ≥ 3일 경우 성능 손실이 무시할 만큼 작음을 확인한다.

ABSTRACT

Due to hardware limitations, the phase shifts of the reflecting elements of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) need to be quantized into discrete values. This letter aims to unveil the minimum required number of phase quantization levels $L$ in order to achieve the full diversity order in RIS-assisted wireless communication systems. With the aid of an upper bound of the outage probability, we first prove that the full diversity order is achievable provided that $L$ is not less than three. If $L=2$, on the other hand, we prove that the achievable diversity order cannot exceed $(N+1)/2$, where $N$ is the number of reflecting elements. This is obtained with the aid of a lower bound of the outage probability. Therefore, we prove that the minimum required value of $L$ to achieve the full diversity order is $L=3$. Simulation results verify the theoretical analysis and the impact of phase quantization levels on RIS-assisted communication systems.

연구 동기 및 목표

• RIS를 보조로 사용하는 시스템에서 최대 다변화 순서를 달성하기 위해 필요한 단계 양자화 수준의 최소 수를 규명하는 것.
• 이산 단계 이동이 RIS를 보조로 사용하는 통신에서 탈락 확률과 다변화 이득에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 양자화 수준 수 L에 기반한 다변화 순서에 대한 이론적 경계를 수립하는 것.
• 제한된 단계 해상도를 갖는 실용적 RIS 하드웨어 설계 지침을 제공하는 것.

제안 방법

• L ≥ 3일 때 최대 다변화 순서 N이 달성됨을 증명하기 위해 탈락 확률에 대한 상한을 유도한다.
• L ≥ 3일 때 최대 다변화 순서의 달성 가능성을 입증하기 위해 상한 탈락 확률 기반의 수학적 귀납법을 사용한다.
• L = 2일 때의 성능 한계를 분석하기 위해 양자화 경계 근처의 단계 오차 조건 하의 탈락 확률에 하한을 유도한다.
• 고 SNR에서 탈락 확률의 점근적 행동을 분석하여 다변화 순서를 특성화한다.
• RIS 링크에 복소수 정규 채널 모델을 사용하고, 독립적이고 동일하게 분포된 fading 계수를 가정한다.
• 다양한 L과 N에 대해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 이론적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS를 보조로 사용하는 시스템에서 최대 다변화 순서 N을 달성하기 위해 필요한 단계 양자화 수준 L의 최소 수는 얼마인가?
• RQ2 두 개의 단계 수준(L = 2)만을 사용할 경우 다변화 순서는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 단계 이동이 양자화될 경우 최대 다변화 순서를 유지할 수 있는가, 만약 가능하다면 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ4 고 SNR에서 단계 양자화 오차 분포는 탈락 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 반사 요소 수 N과 양자화 수준 수 L이 가용 다변화를 결정하는 데 어떻게 상호작용하는가?

주요 결과

• 최대 다변화 순서 N은 단지 L이 최소 3 이상일 때에만 달성 가능하다.
• L = 2일 경우 가용 다변화 순서는 최대 (N+1)/2이며, N > 1일 경우 N보다 엄격히 작다.
• L ≥ 3일 경우 탈락 확률 곡선은 완벽한 단계 이동과 평행하여 다변화 이득 손실이 없음을 나타낸다.
• L ≥ 3일 경우 단계 양자화로 인한 탈락 성능 손실은 중간 정도의 N에서도 무시할 만큼 작다.
• L = 2일 경우 단계 오차가 ±π/2 근처에서 발생할 때 신호 간 상쇄 및 강화로 인해 깊은 페이딩이 발생하여 다변화 순서가 제한된다.
• 시뮬레이션 결과는 L ≥ 3이면 근사적으로 완벽한 다변화 이득을 확보할 수 있으며, L = 2일 경우 고 SNR에서 심각한 성능 플랫폼이 발생함을 확인한다.