[论文解读] Multi-Antenna Relaying and Reconfigurable Intelligent Surfaces: End-to-End SNR and Achievable Rate

Konstantinos Ntontin, Jaeyoung Song+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用 35

一句话总结

本文推导了中继辅助与 RIS 辅助通信的端到端 SNR 和可实现速率表达式，涵盖 HD/FD 中继（DF/AF）以及具有异常反射或漫射散射的 RIS 配置，在各种 CSI 和网络设置下。

ABSTRACT

In this report, we summarize the end-to-end signal-to-noise ratio and the rate of half-duplex, full-duplex, amplify-and-forward, and decode-and-forward relay-aided communications, and well as the signal-to-noise ratio and the rate of the emerging technology known as reconfigurable intelligent surfaces.

研究动机与目标

• 在高频频段中，若视线被阻挡，激励并量化中继与 RIS 的端到端性能收益。
• 给出 HD/FD 中继（DF/AF）以及 RIS 辅助链路的端到端 SNR 的闭式或半闭式表达。
• 展示 RIS 相位优化及 RIS 工作模式（异常反射 vs. 漫射散射）如何影响 SNR 与速率。
• 提供在源与中继之间优化功率分配以最大化可实现速率的方法步骤。
• 在实际干扰因素（自干扰、环路反馈等）下对比基于中继的架构和基于 RIS 的架构。

提出的方法

• 对单天线源–目的地对在 N_R 个天线的中继或 N_RIS 个元素的 RIS 的辅助下进行建模。
• 推导包含中继和目的地的 MRC/MRT 的 HD/FD 中继在 DF 和 AF 协议下的端到端 SNR 表达。
• 给出 RIS 端到端 SNR，利用最优相移以最大化直接路径与 RIS 反射路径的相干合成。
• 刻画 RIS 工作模式：异常反射（大元件）与漫射散射（漫射元件）及其对路径损耗模型的影响。
• 提供 HD/FD 中继和 RIS 辅助链路的可实现速率公式及最优功率分配（p_S, p_R）。
• 纳入实际干扰因素，如 FD 中继中的残留自干扰和环路效应。
• 概述使 RIS 实现端到端信号相干的相位一致性条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 HD 和 FD 中继、DF 与 AF 协议下，如何表达中继辅助与 RIS 辅助链路的端到端 SNR？
• RQ2 RIS 元件的最优相移是多少，以最大化端到端 SNR 或速率，RIS 的工作模式（异常反射 vs. 漫射）如何影响性能？
• RQ3 在 HD/FD 中继与 RIS 情况下，源与中继之间应如何分配发射功率以最大化可实现速率？
• RQ4 FD 中继中的自干扰对端到端性能的影响及其建模是怎样的？
• RQ5 在不同传播和硬件假设下，传统中继链路与 RIS 链路的理论端到端速率有何比较？

主要发现

• 已推导出跨越 HD/FD 以及 DF/AF 协议的中继辅助与 RIS 辅助通信的端到端 SNR 表达式。
• RIS 性能可通过设定相位使直接路径与反射路径相干叠加来进行优化，当已知 CSI 时存在解析形式的最优相位。
• RIS 的异常反射和漫射散射模式会产生不同的路径损耗模型和 SNR 缩放，从而影响可实现速率公式。
• 可计算在源与中继之间的最优功率分配，以最大化 HD/FD 的可实现速率，适用于 DF 与 AF 协议。
• FD 中继引入的环路自干扰被建模并并入 SINR 表达式，影响与 HD 的性能比较。
• 本文提供了近似闭式的速率表达和优化策略，以便与基于 RIS 的配置进行基准比较。