[论文解读] A Comprehensive Study of Reconfigurable Intelligent Surfaces in Generalized Fading

Imène Trigui, Wessam Ajib+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 29被引用 41

一句话总结

本文提出一个统一的基于 Fox’s H 的框架，用以分析在广义衰落（Fox’s H）下的 RIS 辅助通信，推导单个和多个 RIS 的精确 outage 概率和 ergodic capacity 表达式，并为大规模 RIS 部署提供高信噪比（SNR）下的缩放规律。

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.

研究动机与目标

• 动机：将 RIS 作为在广义衰落下控制无线环境以服务于 6G 和物联应用的工具。
• 提供一个统一的数学框架，使用 Fox’s H 分布来建模 RIS 信道。
• 推导单 RIS 与多 RIS 情况下 RIS 辅助链路的精确 outage 概率和 ergodic capacity 表达式。
• 分析大规模 RIS 部署的性能，并给出关于 RIS 元件数量和路径损耗的缩放规律。
• 提供适用于包括 RF 与光通信（FSO）环境在内的广泛衰落模型的见解。

提出的方法

• 用一个 N 元 RIS 和相位移矩阵 Phi 建模 BS–RIS–用户信道。
• 假设 |h_i| 与 |g_i| 服从 Fox’s H 分布的衰落，以捕捉广义多径和阴影效应。
• 通过多变量 Fox’s H 变换及相关的 Laplace/Mellin-Barnes 技术推导 outage probability Pi(rho,N)。
• 使用留数法获得高-SNR渐近表达，以提取 diversity 与 coding gains。
• 利用多变量 Fox’s H 函数及指数积分关系，得到闭式 ergodic capacity E(rho_L,N)。
• 为 Nakagami-m、generalized K 以及 i.i.d. Fox’s H 衰落提供特例简化形式，包括缩放规律。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在超越 Rayleigh 或简单模型的广义衰落下分析 RIS 辅助通信？
• RQ2 在 Fox’s H 衰落下，单 RIS 与多 RIS 的 RIS 的精确 outage 概率和 ergodic capacity 表达式是什么？
• RQ3 大规模 RIS 部署在 outage、capacity 和 diversity 增益方面如何缩放？
• RQ4 在广义衰落下，高-SNR 性能洞见（diversity、coding gains、随 N 和 M 的缩放）是什么？
• RQ5 不同的衰落族（Nakagami-m、generalized K、F 等）如何影响 RIS 的性能和缩放规律？

主要发现

• 在 Fox’s H 衰落下，RIS 的 outage 概率和 capacity 可通过多变量 Fox’s H 函数闭式获得。
• 在路径损耗指数 α 的广义衰落下，M 个 RIS 每个有 N 个元件，SNR 的缩放为 M^{α/2} N^2。
• 高-SNR 分析给出由留数展开决定的 diversity 增益，突出了 RIS 元件数量带来的近二次级的 SNR 增益。
• 对于 Nakagami-m 和 generalized K 衰落，渐近 outage 显示关于 rho_L 和 N 的明确幂律衰减，说明多径与阴影对 diversity 的影响。
• 该框架可容纳独立非独立同分布（i.ni.d）衰落，并为 i.i.d. Fox’s H 衰落提供界和推论，显示可扩展性与性能极限。
• 推论将 RIS 性能与常见衰落族联系起来，使其能直接映射到 RF 与 FSO 湍流模型。