[논문 리뷰] A Comprehensive Study of Reconfigurable Intelligent Surfaces in Generalized Fading

Imène Trigui, Wessam Ajib외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 29인용 수 41

한 줄 요약

논문은 generalized fading (Fox’s H)에서 RIS-지원 통신을 분석하기 위한 통일된 Fox’s H 기반 프레임워크를 개발하고, 단일 및 다중 RIS에 대한 정확한 outage 확률과 ergodic capacity 표현을 도출하며 대규모 RIS 배치에 대한 고-SNR 스케일링 법칙을 제공한다.

ABSTRACT

Leveraging on the reconfigurable intelligent surface (RIS) paradigm for enabling the next Internet of Things (IoT) and 6G era, this paper develops a comprehensive theoretical framework characterizing the performance of RIS-assisted communications in a plethora of propagation environments. We derive unified mathematical models for the outage probability and ergodic capacity of single and multiple-element RIS over Fox's H fading channel, which includes as special cases nearly all linear and non linear multi-path and shadowing fading models adopted in the open literature. For gleaning further insights, we capitalize on the algebraic asymptotic expansions of the H-transform to further analyze the outage probability and capacity at high signal-to-noise ratio (SNR) in a unified fashion. Asymptotic analysis shows two scaling rates of the outage probability at large average SNR. Moreover, by harnessing its tractability, the developed statistical machinery is employed to characterize the performance of multiple randomly distributed RIS-assisted communications over Fox's H fading channels. We show that there is a great potential to improve the outage performance and thereby the capacity when fewer RISs are deployed each with more reflecting elements.

연구 동기 및 목표

• RIS를 6G 및 IoT 애플리케이션에서 무선 환경을 제어하는 도구로 동기부여하는 것.
• Fox’s H 분포를 사용하여 RIS 채널을 모델링하는 일관된 수학적 프레임워크를 제공하는 것.
• 단일 및 다중 RIS를 이용한 RIS-지원 링크의 정확한 outage 확률 및 ergodic capacity 표현을 도출하는 것.
• 대규모 RIS 배치에서 성능을 분석하고 RIS 요소 수 및 경로 손실에 따른 스케일링 법칙을 도출하는 것.
• RF 및 FSO 환경을 포함한 다양한 페이딩 모델에 적용 가능한 통찰력을 제공하는 것.

제안 방법

• N 요소 RIS와 위상 시프트 행렬 Phi로 BS–RIS–사용자 채널을 모델링한다.
• |h_i| 와 |g_i|의 Fox’s H-분포 페이딩을 가정하여 일반화된 다중 경로 및 그림자 효과를 포착한다.
• 다변수 Fox’s H 변환 및 관련 Laplace/Mellin-Barnes 기법을 통해 outage 확률 Pi(rho,N)을 도출한다.
• 잔차 계산을 사용한 고-SNR 근사치를 얻어 다양성 및 코딩 이득을 추출한다.
• 다변수 Fox’s H 함수 및 지수적 적분 관계를 사용해 닫힌 형태로 ergodic capacity E(rho_L,N)을 도출한다.
• Nakagami-m, generalized K 및 i.i.d. Fox’s H 페이딩에 대한 특수-경우 간소화 및 스케일링 법칙을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS-지원 통신을 Rayleigh 또는 간단한 모델을 넘어선 일반화 페이딩 하에서 어떻게 분석할 수 있는가?
• RQ2 Fox’s H 페이딩 하에서 단일 및 다중 RIS를 가진 RIS의 정확한 outage 확률 및 ergodic capacity 표현은 무엇인가?
• RQ3 대규모 RIS 배치가 outage, capacity 및 diversity 이득 측면에서 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 일반화 페이딩에서 고-SNR 성능 인사이트(다양성, 코딩 이득, N 및 M에 대한 스케일링)는 무엇인가?
• RQ5 서로 다른 페이딩 계열(Nakagami-m, generalized K, F 등)이 RIS 성능 및 스케일링 법칙에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Fox’s H 페이딩 하의 RIS에 대한 outage 확률 및 용량은 다변수 Fox’s H 함수를 통해 폐쇄형으로 얻어진다.
• SNR은 generalized fading과 경로 손실 지수 α 하에서 M RIS 각각 N 요소일 때 M^{α/2} N^2로 스케일링된다.
• 고-SNR 분석은 잔차 기반 확장을 통해 결정된 다양성 이득을 제공하며 RIS 요소 수에 대해 제곱근과 같은 SNR 이득을 강조한다.
• Nakagami-m 및 generalized K 페이딩의 경우, 고전형 outage는 rho_L 및 N에 대해 명시적 거듭제곱 법칙 감쇠를 보여 다중 경로 및 그림자의 영향을 다양성에 미친다.
• 프레임워크는 i.ni.d 페이딩을 수용하고 i.i.d. Fox’s H 페이딩에 대한 경계 및 보어 코사인? 원문: i.i.d. Fox’s H fading에 대한 경계와 보완정리를 제공한다, 신축성과 성능 한계를 보여준다.
• Corollaries는 RIS 성능을 일반적인 페이딩 계통에 연결하여 RF 및 FSO 난류 모델로의 직접 매핑을 가능하게 한다.