[论文解读] Accurate Closed-Form Approximations to Channel Distributions of RIS-Aided Wireless Systems
本文提出了一种针对可重构智能表面（RIS）辅助无线系统信道分布的高精度闭式近似方法，特别针对双跳（RIS-DH）和RIS辅助波束成形（RIS-T）方案，采用小参数近似（SAA）以克服非中心卡方（NCCS）分布对反射单元数量较少时的局限性。主要贡献在于所提出的近似对任意N均具有高精度，可实现对RIS-DH方案的分集增益范围为$N-1 < G_d < N$，以及对RIS-T方案的分集增益$G_d = N$，两者均仅实现分集增益而无复用增益。
This paper proposes highly accurate closed-form approximations to channel distributions of two different reconfigurable intelligent surface (RIS)-based wireless system setups, namely, dual-hop RIS-aided (RIS-DH) scheme and RIS-aided transmit (RIS-T) scheme. Differently from previous works, the proposed approximations reveal to be very tight for arbitrary number $N$ of reflecting metasurface's elements. Our findings are then applied to the performance analysis of the considered systems, in which the outage probability, bit error rate, and average channel capacity are derived. Results show that the achievable diversity orders $G_d$ for RIS-DH and RIS-T schemes are $N-1
研究动机与目标
- 解决非中心卡方（NCCS）分布对反射单元数量较少时（N较小）RIS信道统计近似不准确的问题。
- 开发适用于任意N的闭式近似，克服基于中心极限定理的NCCS方法的局限性。
- 实现对RIS辅助系统性能的精确分析，包括中断概率、误比特率（BER）和平均信道容量。
- 在所提近似下，表征RIS-DH与RIS-T方案的分集与复用增益特性。
提出的方法
- 利用小参数近似（SAA）对概率密度函数之和进行建模，以描述RIS辅助系统的信道分布。
- 基于所提近似，推导出中断概率、平均BER和平均信道容量的闭式表达式。
- 在RIS-DH与RIS-T系统中，采用平方G_K分布作为端到端信噪比的精确近似。
- 通过渐近分析确定两种方案的可实现分集阶数。
- 通过在不同信噪比范围和N值下的数值仿真验证分析结果。
- 使用指数积分函数和广义拉盖尔多项式，为RIS-T情形下的平均容量提供闭式表达。
实验结果
研究问题
- RQ1如何对任意反射单元数量（尤其是N较小时）的RIS辅助系统信道分布进行高精度近似？
- RQ2在精确信道建模下，RIS-DH与RIS-T系统的可实现分集与复用增益为何？
- RQ3所提近似在中断概率与BER方面与广泛使用的非中心卡方（NCCS）分布相比，精度如何？
- RQ4反射单元数量N对RIS辅助系统平均信道容量与分集阶数有何影响？
- RQ5在所提近似框架下，能否推导出关键性能指标（中断、BER、容量）的闭式表达式？
主要发现
- 所提信道分布闭式近似显著优于NCCS分布，尤其在小N时，仿真结果已证实此优势。
- RIS-DH方案的可实现分集阶数为$N-1 < G_d < N$，表明其行为类似于仅具一个自由度的信道张力MIMO信道。
- RIS-T方案的可实现分集阶数为$G_d = N$，表明其表现如同波束成形分集结构。
- RIS-DH与RIS-T方案均仅实现分集增益而无复用增益，容量曲线斜率恒定，与N无关。
- 两种方案的平均信道容量表达式均高度紧致，与仿真结果高度吻合，且为RIS-T情形提供了闭式上界。
- 所提近似可实现高度精确的性能分析，分析与仿真结果在所有指标（中断、BER、容量）上均表现出强一致性。
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