[论文解读] Multi-RIS-aided Wireless Systems: Statistical Characterization and Performance Analysis

Tri Nhu, Georges Kaddoum+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用 16

一句话总结

本文提出了一种针对具有不同尺寸和独立非同分布（i.n.i.i.d.）衰落信道的分布式智能反射面（RIS）的多可重构智能表面（RIS）辅助无线系统之统计表征。通过矩方法，推导出端到端信道分布的近似闭式表达式，表明信道包络幅度可由伽马分布或对数正态分布拟合；在中断概率和遍历容量方面，全选RIS辅助（ERA）方案优于机会式RIS辅助（ORA）方案。

ABSTRACT

In this paper, we study the statistical characterization and modeling of distributed multi-reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided wireless systems. Specifically, we consider a practical system model where the RISs with different geometric sizes are distributively deployed, and wireless channels associated to different RISs are assumed to be independent but not identically distributed (i.n.i.d.). We propose two purpose-oriented multi-RIS-aided schemes, namely, the exhaustive RIS-aided (ERA) and opportunistic RIS-aided (ORA) schemes. A mathematical framework, which relies on the method of moments, is proposed to statistically characterize the end-to-end (e2e) channels of these schemes. It is shown that either a Gamma distribution or a Log-Normal distribution can be used to approximate the distribution of the magnitude of the e2e channel coefficients in both schemes. With these findings, we evaluate the performance of the two schemes in terms of outage probability (OP) and ergodic capacity (EC), where tight approximate closed-form expressions for the OP and EC are derived. Representative results show that the ERA scheme outperforms the ORA scheme in terms of OP and EC. In addition, under i.n.i.d. fading channels, the reflecting element settings and location settings of RISs have a significant impact on the system performance of both the ERA or ORA schemes.

研究动机与目标

• 为解决在实际环境中，具有分布式、非相同RIS的多RIS辅助系统缺乏统计建模的问题。
• 建立数学框架，用于表征在i.n.i.i.d.衰落条件下端到端（e2e）信道统计特性。
• 提出并比较两种实用的多RIS方案：全选RIS辅助（ERA）与机会式RIS辅助（ORA）。
• 推导关键性能指标——中断概率（OP）与遍历容量（EC）的紧致近似闭式表达式。
• 量化在i.n.i.i.d.衰落条件下，RIS反射单元设置与部署位置对系统性能的影响。

提出的方法

• 将矩方法应用于具有i.n.i.i.d.瑞利衰落的多RIS系统中，对端到端信道幅度进行统计表征。
• 通过级数展开与Pochhammer符号，推导出端到端信道系数的近似矩母函数（MGF）。
• 利用Lauricell型A函数将MGF表示为闭式形式，从而实现对信道分布的统计近似。
• 基于矩匹配，采用伽马分布与对数正态分布对端到端信道幅度进行近似。
• 利用推导出的MGF与分布近似，推导出中断概率与遍历容量的紧致闭式表达式。
• 通过数学推导及不同RIS配置下性能指标的对比，验证了分析框架的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有i.n.i.i.d.衰落信道的多RIS系统中，如何对端到端信道幅度分布进行统计表征？
• RQ2 在中断概率与遍历容量方面，全选RIS辅助（ERA）与机会式RIS辅助（ORA）方案之间存在何种性能差异？
• RQ3 在i.n.i.i.i.d.衰落条件下，RIS反射单元数量与部署位置在多大程度上影响系统性能？
• RQ4 在多RIS系统中，端到端信道幅度能否被伽马分布或对数正态分布准确近似？
• RQ5 RIS几何结构与信道相关性对多RIS辅助系统统计建模有何影响？

主要发现

• 通过矩匹配，ERA与ORA方案中的端到端信道幅度均可被伽马分布或对数正态分布准确近似。
• 全选RIS辅助（ERA）方案相比机会式RIS辅助（ORA）方案，具有更低的中断概率与更高的遍历容量。
• 利用矩方法与Lauricell函数表示，推导出中断概率与遍历容量的紧致闭式表达式。
• 在i.n.i.i.d.衰落条件下，反射单元设置与RIS部署位置显著影响系统性能。
• 所推导的MGF表达式可实现无需蒙特卡洛仿真即可准确评估系统性能。
• 通过数学推导与矩匹配技术验证了近似精度，确保其在系统设计中的可靠性。