[論文レビュー] Space Shift Keying with Reconfigurable Intelligent Surfaces: Phase Configuration Designs and Performance Analysis

Qiang Li, Miaowen Wen+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 43被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、受動ビームフォーミングによる誤り性能向上を図るRIS-SSK-PBと、アラムーティSTBCを用いたスループット向上を実現するRIS-SSK-ASTBCの2つの再構成可能知能表面（RIS）支援空間シフトキーイング（SSK）方式を提案する。RIS-SSK-PBは、BER = 10⁻⁴における従来のSSKと比較して最大19 dBのSNRゲインを達成する一方、RIS-SSK-ASTBCは同じBERにおいてV-BLASTと比較して15 dBのSNRゲインを示し、低複雑度の検出を伴って顕著な性能向上を実現している。

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.

研究の動機と目的

• 低散乱環境または低SNR環境における従来のSSKの誤り性能制限を、RISを用いた制御されたチャネル最適化によって克服すること。
• 従来のSSKのスペクトル効率の低さを解消するため、RISが反射信号を介して自らの情報を送信できるように、アラムーティ空間時間ブロック符号化（STBC）を活用すること。
• 実用的なRIS-SSKシステムの展開を可能にするために、低複雑度のビームフォーミングおよび最大尤度（ML）検出アルゴリズムを設計すること。
• ML検出下でのソースおよびRISの閉形式近似ビット誤り確率式を導出することで、性能解析とシステム設計を可能にすること。

提案手法

• RIS-SSK-PBは、決定点間の最小二乗ユークリッド距離を最大化するために位相シフトを最適化することで、受動ビームフォーミングを実行する。
• 非凸最適化問題を解くために、半定値緩和（SDR）と低複雑度ビームフォーミングアルゴリズムを提案する。
• RIS-SSK-ASTBCは、RISにアラムーティSTBCを統合し、送信信号を反射する一方で自らの符号化情報も送信可能にすることで、有効データレートを2倍に増加させる。
• RIS-SSK-ASTBCのための低複雑度最大尤度（ML）検波器を設計し、ソース信号とRIS信号の信頼性の高い同時検出を実現する。
• 中心極限定理と統計的チャネルモデリングを用いて、ソースおよびRISの閉形式近似平均ビット誤り確率（ABEP）式を導出する。
• レイリー fading環境下で広範なシミュレーションを実施し、従来のSSKおよびRIS支援ベンチマークと比較して性能解析を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISを用いた受動ビームフォーミングにより、信号点間の最小距離を最大化することで、従来のSSKシステムの誤り性能を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 RISを用いて、送信信号を反射する一方で自らの情報をSTBCで送信することで、追加のスペクトルを必要とせずにスペクトル効率を向上させることができるか？
• RQ3 ML検出下でのRIS-SSK-ASTBCの実現可能な分岐増強次数とビット誤り率性能は何か？ また、V-BLASTなどの従来のMIMO方式と比較してどうなるか？
• RQ4 RIS要素数が増加するに従って、RIS-SSK-PBおよびRIS-SSK-ASTBCの導出された閉形式ABEP式の精度はどの程度保たれるか？
• RQ5 RIS-SSK-PBにおけるSDRベースビームフォーマーと低複雑度ビームフォーマーの間で、性能と複雑度のトレードオフはどのように変化するか？

主な発見

• SDRベースのビームフォーミングを用いたRIS-SSK-PBは、ビット誤り率（BER）10⁻⁴において、従来のSSKと比較して約19 dBのSNRゲインを達成し、既存のRISフリーおよびRIS支援SSK方式を著しく上回る性能を示した。
• RIS-SSK-PBにおける低複雑度ビームフォーマーは、BER = 10⁻⁴においてSDR法と比較して約3 dBの性能劣化を示したが、依然として従来のSSKを大きく上回り、計算複雑度が大幅に低減された。
• RIS-SSK-ASTBCは、ソースおよびRISの両方で分岐増強次数2を達成し、信頼性の高い伝送を可能にした。一方、RIS-SSK-VBLASTは分岐増強次数1にとどまった。
• BER = 10⁻⁴におけるRIS-SSK-ASTBCは、より高いコンステレーションサイズ（M=8 vs. M=2）を用いても、RIS-SSK-VBLASTと比較して約15 dBのSNRゲインを示し、優れた信頼性を実現した。
• 中心極限定理を用いて導出した理論的ABEP式は、RIS要素数N ≥ 32の範囲でシミュレーション結果と非常に近い一致を示し、性能解析の正確性を裏付けた。
• RIS-SSK-ASTBCにおいてRIS要素数を64から128に増加させた場合、ソースおよびRISの両方で約3 dBのSNRゲインが得られ、より大きなアパーチャアレイでは性能が飽和することを示した。