[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces assisted Communications with Limited Phase Shifts: How Many Phase Shifts Are Enough?

Hongliang Zhang, Boya Di외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)를 활용한 업링크 통신에서 제한된 단계 이동이 미치는 영향을 조사하며, 사전 정의된 속도 저하 임계값 이내에서 데이터 전송률을 최대화하기 위한 최적의 단계 이동 설계를 제안한다. 성능 안정성을 위한 필요 단계 이동 수(K 비트)를 분석적으로 유도하여, RIS 크기가 무한히 증가할 경우 2단계 이동으로도 충분하며, 더 작은 표면에서는 목표 스펙트럼 효율성을 유지하기 위해 더 많은 비트가 필요하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface~(RIS) has drawn a great attention worldwide as it can create favorable propagation conditions by controlling the phase shifts of the reflected signals at the surface to enhance the communication quality. However, the practical RIS only has limited phase shifts, which will lead to the performance degradation. In this letter, we evaluate the performance of an uplink RIS assisted communication system by giving an approximation of the achievable data rate, and investigate the effect of limited phase shifts on the data rate. In particular, we derive the required number of phase shifts under a data rate degradation constraint. Numerical results verify our analysis.

연구 동기 및 목표

• 실제 시스템에서 제한된 단계 이동으로 인한 RIS 보조 업링크 통신의 성능 저하를 분석하기 위해.
• 연속적 및 양자화된 단계 이동 조건 하에서의 구현 가능한 데이터 전송률에 대한 폐쇄형 근사식을 유도하기 위해.
• 사전 정의된 임계값 이내에서 데이터 전송률 저하를 유지하기 위해 필요한 최소 단계 이동 수준 수(K 비트)를 결정하기 위해.
• RIS 크기와 위치 변동성이 필요한 단계 이동 해상도에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 2^K개의 이산 단계 이동 상태로 균일하게 [0, 2π) 범위에 분포된 K비트 단계 이동기로 RIS를 모델링한다.
• RIS 경로를 통해 우세한 LOS 성분이 있는 Rician fading 채널 모델을 사용하며, 단계 이동의 함수로 효과적 채널 이득을 모델링한다.
• 로그함수 근사식 E[log(1+γ)] ≈ log(1+E[γ])를 활용하여 신호 대 잡음비(SNR)의 기대값을 기반으로 에르고딕 구현 가능한 전송률의 근사를 도출한다.
• 단계 이동 양자화에 따른 LOS 및 NLoS 채널 성분과 그 상호작용 항을 고려하여 기대 SNR를 계산한다.
• 양자화된 단계 이동 제약 조건 하에서 구현 가능한 전송률을 최대화하는 최적의 단계 이동 설계를 공식화한다.
• 점점 커지는 RIS 크기와 채널 조건에 따른 필요 단계 이동 해상도의 행동을 분석하기 위해 渐近적 분석을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 단계 이동 조건 하에서 RIS 보조 업링크 시스템에서 목표 데이터 전송률을 유지하기 위해 필요한 최소 단계 이동 수준 수(K 비트)는 얼마인가?
• RQ2 RIS 크기가 사전 정의된 전송률 저하 임계값에 대해 필요한 단계 이동 비트 수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 연속적 단계 이동 대 비해 양자화된 단계 이동을 사용할 경우 SNR 측면에서의 점점 커지는 성능 향상은 무엇인가?
• RQ4 RIS의 위치 불확실성이 필요한 단계 이동 해상도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 작은 수의 단계 이동(예: 2개)이 큰 RIS 어레이에서 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 순수한 LOS 채널 모델 하에서 구현 가능한 데이터 전송률은 RIS 요소 수의 제곱에 비례하고, Rayleigh 페이딩 하에서는 선형적으로 증가한다.
• RIS 표면 크기가 커질수록 단계 오차 민감도가 감소함에 따라 필요한 단계 이동 비트 수가 감소한다.
• RIS 크기가 충분히 클 경우, 근사 최적 성능 유지를 위해 단지 2단계 이동(1비트)으로도 충분하며, 데이터 전송률 저하가 무시할 만큼 작다.
• 작은 RIS의 경우, 주어진 전송률 저하 임계값을 충족시키기 위해 필요한 단계 이동 비트 수가 크게 증가한다.
• RIS 크기가 커질수록 위치 불확실성이 필요한 단계 이동 해상도에 미치는 영향이 감소하며, 이는 빔포밍 이득 다각화 때문이 다.
• 유도된 구현 가능한 전송률에 대한 분석적 근사는 시뮬레이션 결과와 매우 유사하여 이론적 프레임워크의 타당성을 검증한다.