[论文解读] A Novel Physics-based Channel Model for Reconfigurable Intelligent Surface-assisted Multi-user Communication Systems

Jiaqi Xu, Yuanwei Liu|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 27被引用 13

一句话总结

本文通过将智能反射面（RIS）和散射环境建模为统一系统，提出了一种新颖的基于物理的Rician衰落信道模型，适用于可重构智能表面（RIS）辅助的多用户系统。该文推导了Rician分布形状因子和尺度因子的解析表达式，表明平均接收功率与RIS单元数量及相位量化级别成比例，并证明了系统分集增益阶数与RIS尺寸无关，仿真结果验证了相控阵RIS的性能。

ABSTRACT

The reconfigurable intelligent surface (RIS) is one of the promising technologies contributing to the next generation smart radio environment. A novel physics-based RIS channel model is proposed. Particularly, we consider the RIS and the scattering environment as a whole by studying the signal's multipath propagation, as well as the radiation pattern of the RIS. The model suggests that the RIS-assisted wireless channel can be approximated by a Rician distribution. Analytical expressions are derived for the shape factor and the scale factor of the distribution. For the case of continuous phase shifts, the distribution depends on the number of elements of the RIS and the observing direction of the receiver. For the case of continuous phase shifts, the distribution further depends on the quantization level of the RIS phase error. The scaling law of the average received power is obtained from the scale factor of the distribution. For the application scenarios where RIS functions as an anomalous reflector, we investigate the performance of single RIS-assisted multiple access networks for time-division multiple access (TDMA), frequency-division multiple access (FDMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA). Closed-form expressions for the outage probability of the proposed channel model are derived. It is proved that a constant diversity order exists, which is independent of the number of RIS elements. Simulation results are presented to confirm that the proposed model applies effectively to the phased-array implemented RISs.

研究动机与目标

• 开发一种基于物理的信道模型，以统一方式捕捉RIS和散射环境的电磁行为。
• 分析RIS相位偏移（连续与量化）对整体信道统计分布的影响。
• 推导RIS辅助多用户系统中Rician衰落分布形状因子与尺度因子的解析表达式。
• 在所提模型下，研究TDMA、FDMA与NOMA场景中RIS辅助网络的性能，重点关注中断概率。
• 基于推导的信道模型参数，建立平均接收功率的缩放规律。

提出的方法

• 将RIS及其周围散射环境建模为单一电磁系统，以捕捉多径传播与辐射图样。
• 通过组合发射端到RIS与RIS到接收端的半通道响应，结合相位配置，推导整体信道响应。
• 应用Nakagami-m分布理论建模接收信号包络，从而获得Rician衰落近似。
• 在大规模RIS与多径条件下，利用中心极限定理建模接收信号的同相与 quadrature 分量。
• 推导考虑相位量化误差的等效形状因子 $ K^{Eff} $ 和尺度因子 $ ilde{ heta}_p $ 的闭式表达式。
• 在所推导模型下分析TDMA、FDMA与NOMA的中断概率，并证明分集增益阶数恒定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多径传播与辐射图样共同作用下，RIS辅助信道响应如何表现？
• RQ2 整体RIS信道的统计分布为何种形式？其形状与尺度因子如何依赖于RIS尺寸与相位配置？
• RQ3 相位量化误差如何影响Rician衰落参数及相应的中断性能？
• RQ4 平均接收功率的缩放规律如何与RIS单元数和相位量化级别相关？
• RQ5 RIS辅助系统的分集增益阶数是否与RIS单元数量无关？

主要发现

• RIS辅助信道可被精确建模为Rician衰落分布，其形状与尺度因子可基于RIS尺寸与相位类型进行解析推导。
• 对于连续相位偏移，尺度因子依赖于RIS单元数与接收端的观测方向。
• 对于量化相位偏移，尺度因子进一步依赖于相位量化级别，其等效形状因子 $ K^{Eff} $ 可表示为量化分辨率的sinc函数。
• 平均接收功率与RIS单元数 $ M $ 成比例，其缩放规律由尺度因子 $ ilde{ heta}_p $ 推导得出。
• 系统分集增益阶数恒定，且与RIS单元数量无关，这是系统设计中的关键洞见。
• 仿真结果验证了该模型在相控阵实现的RIS中的准确性，理论推导在TDMA、FDMA与NOMA场景中均得到验证。