[논문 리뷰] Space Shift Keying with Reconfigurable Intelligent Surfaces: Phase Configuration Designs and Performance Analysis

Qiang Li, Miaowen Wen외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 43인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능 지능 표면(RIS)을 활용한 두 가지 스페이스 시프트 키싱(SSK) 기반 시스템을 제안한다: 오차 성능 향상을 위한 수동빔포밍을 통한 RIS-SSK-PB와 스펙트럼 효율 향상을 위한 알라무티 공간-시간 블록 코딩(ASBC)을 활용한 RIS-SSK-ASTBC. RIS-SSK-PB는 BER = 10⁻⁴일 때 기존 SSK 대비 최대 19 dB의 신호 대 잡음비(SNR) 이득을 달성하며, RIS-SSK-ASTBC는 동일한 BER 조건에서 V-BLAST 대비 15 dB의 SNR 이득을 확보하여 낮은 복잡도의 검출 기반으로도 뚜렷한 성능 향상을 입증한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted transmission and space shift keying (SSK) appear as promising candidates for future energy-efficient wireless systems. In this paper, two RIS-based SSK schemes are proposed to efficiently improve the error and throughput performance of conventional SSK systems, respectively. The first one, termed RIS-SSK with passive beamforming (RIS-SSK-PB), employs an RIS for beamforming and targets the maximization of the minimum squared Euclidean distance between any two decision points. The second one, termed RIS-SSK with Alamouti space-time block coding (RIS-SSK-ASTBC), employs an RIS for ASTBC and enables the RIS to transmit its own Alamouti-coded information while reflecting the incident SSK signals to the destination. A low-complexity beamformer and an efficient maximum-likelihood (ML) detector are designed for RIS-SSK-PB and RIS-SSK-ASTBC, respectively. Approximate expressions for the average bit error probabilities of the source and/or the RIS are derived in closed-form assuming ML detection. Extensive computer simulations are conducted to verify the performance analysis. Results show that RIS-SSK-PB significantly outperforms the existing RIS-free and RIS-based SSK schemes, and RIS-SSK-ASTBC enables highly reliable transmission with throughput improvement.

연구 동기 및 목표

• 낮은 산산이 산산이 흩어지는 환경나 낮은 신호 대 잡음비(SNR) 환경에서 기존 SSK의 오차 성능 한계를 RIS를 활용한 제어된 채널 최적화를 통해 해결하고자 한다.
• 기존 SSK의 낮은 스펙트럼 효율 문제를 해결하고자 RIS가 반사 신호 동반하여 자체 정보를 전송할 수 있도록 알라무티 STBC를 적용함으로써 스펙트럼을 추가로 요구하지 않고도 효율을 향상시키고자 한다.
• 실용적인 RIS-SSK 시스템 구현을 위해 저복잡도의 빔포밍 및 최대우도검출 알고리즘을 설계하고자 한다.
• 최대우도검출 기반으로 RIS-SSK 시스템의 성능 분석 및 시스템 설계를 가능하게 하기 위해 소스 및 RIS에 대한 폐쇄형 근사 비트 오차 확률 식을 유도하고자 한다.

제안 방법

• RIS-SSK-PB는 결정점 간 최소 유클리드 거리의 제곱을 최대화하기 위해 위상 이득을 최적화함으로써 수동빔포밍을 수행한다. 이는 다각도 성능 향상을 위한 것이다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 서브세미정방행렬(SDR)과 저복잡도 빔포밍 알고리즘을 제안한다.
• RIS-SSK-ASTBC는 RIS에 알라무티 STBC를 통합하여 반사 신호 동반, RIS가 자체 코딩된 정보를 전송할 수 있도록 하여 유효 데이터 전송률을 두 배로 증가시킨다.
• RIS-SSK-ASTBC의 저복잡도 최대우도(ML) 검출기를 설계하여 소스 및 RIS 신호의 신뢰성 있는 동시 검출을 가능하게 한다.
• 중앙극한정리와 통계적 채널 모델링을 활용해 소스 및 RIS에 대한 폐쇄형 근사 평균 비트 오차 확률(ABEP) 식을 유도한다.
• 레이일리 fading 환경에서 광범위한 시뮬레이션을 통해 성능 분석을 검증하였으며, 기존 SSK 및 RIS 지원 기준 대비와 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 기반 수동빔포밍을 통해 신호점 간 최소 거리를 최대화함으로써 기존 SSK 시스템의 오차 성능을 뚜렷이 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 RIS가 소스 신호를 반사하면서도 자체 정보를 STBC를 통해 전송함으로써 스펙트럼을 추가로 요구하지 않고도 스펙트럼 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 RIS-SSK-ASTBC의 최대우도검출 하에서 확보 가능한 다각도 성능 및 비트 오차율 성능은 어떠한가? 기존의 V-BLAST과 같은 전통적 MIMO 시스템과 비교해 봤을 때 어떤가?
• RQ4 RIS 요소 수가 증가함에 따라 유도된 폐쇄형 ABEP 식의 정확도는 어느 정도인가? 특히 N ≥ 32일 경우 정확도가 어떻게 유지되는가?
• RQ5 RIS-SSK-PB에서 SDR 기반 빔포머와 저복잡도 빔포머 간의 성능-복잡도 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• SDR 기반 빔포밍을 적용한 RIS-SSK-PB는 BER = 10⁻⁴일 때 기존 SSK 대비 약 19 dB의 SNR 이득을 확보하여, 기존의 RIS 미적용 및 RIS 기반 SSK 기법들을 뛰어넘는 성능을 보였다.
• RIS-SSK-PB의 저복잡도 빔포머는 BER = 10⁻⁴일 때 SDR 방법 대비 약 3 dB의 성능 손실를 보였지만, 여전히 기존 SSK보다 훨씬 낮은 계산 복잡도로 성능를 확보하였다.
• RIS-SSK-ASTBC는 소스 및 RIS에 대해 모두 다각도 순서 2를 확보하여 신뢰성 있는 전송이 가능하며, 반면 RIS-SSK-VBLAST는 다각도 순서 1에 머물렀다.
• BER = 10⁻⁴일 때 RIS-SSK-ASTBC는 더 높은 조합 크기(M=8 대비 M=2)를 사용하고도 RIS-SSK-VBLAST 대비 약 15 dB의 SNR 이득을 확보하여 뛰어난 신뢰성을 입증하였다.
• 중앙극한정리를 활용해 유도한 이론적 ABEP 식은 RIS 요소 수 N ≥ 32일 경우 시뮬레이션 결과와 매우 유사하게 일치하여 성능 분석의 정확성을 검증하였다.
• RIS-SSK-ASTBC에서 RIS 요소 수를 64에서 128로 증가시킬 경우 소스 및 RIS 모두 약 3 dB의 SNR 이득을 기록하였으며, 이는 더 큰 어레이 어퍼처에서 성능 포화 현상이 나타남을 시사한다.