[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces based Cognitive Radio Networks

Abubakar U. Makarfi, Rupak Kharel외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 25.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 인지 방송망(CR) 네트워크에 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 통합하여 스펙트럼 감지 성능을 햖고 보조 사용자(SU) 성능을 향상시키는 것을 제안한다. 주 사용자(PU) 측면에서 RIS를 릴레이 또는 액세스 포인트로 배치함으로써 신호 대 잡음비(SNR)가 향상되고, 임의 경고 및 탐지 누락 확률이 감소하며, SU의 전송 용량이 증가한다. 특히 RIS 셀 수가 높아질수록 3–4개 정도의 주기수만큼 성능 향상이 관찰된다.

ABSTRACT

Over the last decade, cognitive radios (CRs) have emerged as a technology for improving spectrum efficiency through dynamic spectrum access techniques. More recently, as research interest is shifting beyond 5G communications, new technologies such as reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have emerged as enablers of smart radio environments, to further improve signal coverage and spectrum management capabilities. Based on the promise of CRs and RISs, this paper seeks to investigate the concept of adopting both concepts within a network as a means of maximizing the potential benefits available. The paper considers two separate models of RIS-based networks and analyzes several performance metrics associated with the CR secondary user. Monte Carlo simulations are presented to validate the derived expressions. The results indicate the effects of key parameters of the system and the clear improvement of the CR network, in the presence of a RIS-enhanced primary network.

연구 동기 및 목표

• 릴레이 구성 외의 RIS 강화 인지 방송망 네트워크에 관한 연구 부족을 보완하기 위해.
• PU 측면에 RIS를 도입함으로써 보조 사용자(SU)의 스펙트럼 감지 성능 향상 방식을 탐구하기 위해.
• 임의 경고 확률, 탐지 확률, 전송 확률 및 용량과 같은 주요 성능 지표에 대한 해석적 표현을 유도하기 위해.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이러한 표현을 검증하고 RIS 셀 수 및 탐지 임계치와 같은 시스템 파라미터의 영향을 평가하기 위해.
• 고 SNR 및 고 탐지 임계치 조건에서 시스템의 渐近적 행동을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 두 가지 RIS 구성 모델링: RIS를 PU 송신기와 수신기 사이의 릴레이로 사용하는 경우와 RIS를 PU 수신기 측의 액세스 포인트로 사용하는 경우.
• 통계적 채널 모델과 라이케인 fading 가정을 기반으로 하여 임의 경고 확률 $P_f$ 및 탐지 확률 $P_d$에 대한 폐쇄형 표현 유도.
• SNR 및 탐지 임계치에 기반한 SU 전송 확률 및 용량에 대한 정확한 표현과 渐近적 표현 제시.
• RIS 셀 수 $N$, 탐지 임계치 $y_{ ext{th}}$, PU 활성도 요소 $\alpha$ 가 다양한 조건에서 분석 결과를 검증하기 위해 $10^5$회 반복의 몬테카를로 시뮬레이션 수행.
• RIS-릴레이 및 AP-RIS 구성 간 직접 비교를 가능하게 하기 위해 거리 정규화.
• 오차 함수 근사 적용을 통해 두 구성에 대한 渐近적 용량 표현 유도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PU 측면에 RIS를 도입함으로써 인지 방송망의 보조 사용자(SU)가 스펙트럼 감지 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 RIS 셀 수 $N$이 RIS-릴레이 및 AP-RIS 구성 모두에서 임의 경고 및 탐지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 탐지 임계치는 RIS 강화 인지 방송망에서 SU 전송 확률과 시스템 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 조건에서 渐近적 분석이 RIS 기반 인지 방송망 시스템의 정확한 성능을 잘 근사하는가?
• RQ5 용량과 탐지 신뢰성 측면에서 RIS 구성 중 릴레이 또는 액세스 포인트 중 어느 것이 더 뛰어난 성능을 보이는가?

주요 결과

• RIS 셀 수 $N$을 증가시킬수록 임의 경고 및 탐지 누락 확률에서 최대 3–4개 주기수까지 성능 향상이 이루어진다.
• 모든 탐지 임계치에서 RIS-릴레이 구성이 AP-RIS 구성보다 전송 용량 측면에서 뛰어나며, 특히 낮은 임계치에서 두드러진다.
• 고 탐지 임계치 조건(예: $y_{ ext{th}} = 5$ W)에서는 낮은 PU 활성도($\alpha < 0.5$) 조건에서도 전송 확률 및 용량에 대한 渐近적 표현이 정확한 값과 매우 밀접하게 수렴한다.
• 고 SNR 및 고 탐지 임계치 조건에서는 SU가 $H_1$ 가설만으로도 스펙트럼 기회를 신뢰성 있게 탐지할 수 있으며, 유리한 전파 조건에서 감지 성능이 우수함을 시사한다.
• 임의 경고율이 $10^{-3}$를 초과하는 영역에서는 AP-RIS 구성이 RIS-릴레이 구성보다 탐지 누락 성능 측면에서 뛰어나지 못한다.
• 시뮬레이션 결과는 분석적 유도 결과를 매우 정확하게 확인하며, 시스템 설계 및 최적화에 폐쇄형 표현을 활용할 수 있음을 검증한다.