[论文解读] Optimum Reconfigurable Intelligent Surface Selection for Indoor and Outdoor Communications.

Yuting Fang, Saman Atapattu+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于位置的可重构智能表面（RIS）选择策略，用于室内和室外无线网络，通过采用功率路径损耗模型和指数路径损耗模型，以最大化信噪比（SNR）。通过将RIS位置建模为泊松点过程并推导距离分布，该研究在有限反馈条件下显著降低了中断概率并提高了平均速率，相较于传统的中继选择策略表现更优。

ABSTRACT

The reconfigurable intelligent surface (RIS) is a promising technology that is anticipated to enable high spectrum and energy efficiencies in future wireless communication networks. This paper investigates optimum location-based RIS selection policies in RIS-aided wireless networks to maximize the signal-to noise ratio (SNR) for a power path-loss model in outdoor communications and an exponential path-loss model in indoor communications. The random locations of all available RISs are modeled as a Poisson point process (PPP). To quantify the network performance, the outage probabilities and average rates attained by the proposed RIS selection policies are evaluated by deriving the distance distribution of the chosen RIS node as per the selection policies for both power and exponential path-loss models. Feedback could incur heavy signaling overhead. To reduce the overhead, we also propose limited-feedback RIS selection policies by limiting the average number of RISs that feed back their location information to the source. The outage probabilities and average rates obtained by the limited-feedback RIS selection policies are derived for both path-loss models. The numerical results show notable performance gains obtained by the proposed RIS selection policies and demonstrate that the conventional relay selection policies are not suitable for RIS-aided wireless networks.

研究动机与目标

• 解决在RIS辅助无线网络中选择最优RIS位置以最大化SNR的挑战。
• 分别使用指数路径损耗模型和功率路径损耗模型对室内和室外路径损耗效应进行建模，以实现准确的性能评估。
• 通过提出有限反馈RIS选择策略，在保持高网络性能的同时降低反馈开销。
• 通过中断概率和平均速率指标，量化不同路径损耗和反馈条件下的网络性能。

提出的方法

• 将RIS位置建模为泊松点过程（PPP），以表征室内和室外环境中随机部署的RIS。
• 针对功率路径损耗模型和指数路径损耗模型，推导最优选择策略下所选RIS的距离分布。
• 通过限制报告其位置至源端的RIS平均数量，设计有限反馈RIS选择策略。
• 通过解析推导中断概率和平均速率，对全反馈和有限反馈场景下的性能进行评估。
• 利用随机几何技术，表征在不同路径损耗模型下所选RIS链路的统计特性。
• 将所提出的RIS选择策略与传统中继选择策略进行比较，以突出在RIS辅助网络中性能差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同路径损耗模型下，基于位置的RIS选择如何提升室内和室外RIS辅助网络的SNR？
• RQ2 反馈开销对RIS选择性能有何影响？如何在不牺牲频谱效率的前提下将其最小化？
• RQ3 在最优反馈与有限反馈RIS选择策略下，RIS辅助网络的中断概率和平均速率有何差异？
• RQ4 为何传统中继选择策略在RIS辅助无线网络中无效？其底层信道模型存在哪些根本性差异？

主要发现

• 所提出的最优RIS选择策略在降低中断概率和提高平均速率方面相较于传统中继选择策略表现出显著性能增益。
• 采用泊松点过程建模可准确表征在功率路径损耗和指数路径损耗模型下RIS链路的统计特性。
• 有限反馈RIS选择策略显著降低了信令开销，同时保持了与全反馈情况相近的性能。
• 室内环境采用指数路径损耗模型、室外环境采用功率路径损耗模型，导致不同的距离分布，从而影响RIS选择结果。
• 数值结果证实，由于信号传播与反射行为的根本差异，传统中继选择策略不适用于RIS辅助网络。
• 通过数值评估验证了中断概率和平均速率的解析表达式，其结果与仿真趋势高度一致。