[论文解读] Outage Probability and Capacity Scaling Law of Multiple RIS-Aided Cooperative Networks

Liang Yang, Yin Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用 19

一句话总结

本文研究了一种通过多个可重构智能表面（RISs）增强的双跳协作网络，其中选择瞬时端到端信噪比（SNR）最高的RIS来协助传输。该文推导了中断概率和和速率的精确表达式与渐近表达式，建立了容量扩展定律，表明分集增益与RIS数量（K）和每个RIS的反射单元数（N）的乘积成正比，表明其性能优于放大-转发中继方案。

ABSTRACT

In this letter, we consider a dual-hop cooperative network assisted by multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs). Assuming that the RIS with the highest instantaneous end-to-end signal-to-noise ratio (SNR) is selected to aid the communication, the outage probability (OP) and average sum-rate are investigated. Specifically, an exact analysis for the OP is developed. In addition, relying on the extreme value theory, closed-form expressions for the asymptotic OP and asymptotic sum-rate are derived, based on which the capacity scaling law is established. Our results are corroborated through simulations and insightful discussions are provided. In particular, our analysis shows that the number of RISs as well as the number of reflecting elements play a crucial role in the capacity scaling law of multiple RIS-aided cooperative networks. Also, comparisons with relay-aided systems are carried out to demonstrate that the proposed system setup outperforms relaying schemes both in terms of the OP and average sum-rate.

研究动机与目标

• 分析由多个RIS辅助的双跳协作网络中的中断概率与平均和速率。
• 利用极值理论推导中断概率与和速率的精确与渐近表达式。
• 建立多RIS辅助系统的容量扩展定律。
• 将所提出的RIS辅助系统与传统解码-转发中继方案进行性能比较。
• 量化RIS数量（K）和每个RIS的反射单元数（N）对系统分集增益与频谱效率的影响。

提出的方法

• 系统模型假设具备完整的信道状态信息（CSI），并选择端到端瞬时SNR最高的RIS来协助通信。
• 端到端SNR建模为从源到RIS与从RIS到目的地的i.i.d. 瑞利衰落信道之和，且相位偏移经过优化。
• 基于K个RIS中最大SNR的累积分布函数，推导了精确的中断概率。
• 利用极值理论获得渐近中断概率与和速率，重点分析K增大时的行为。
• 通过分析最大SNR与和速率随K和N的渐近增长特性，建立容量扩展定律。
• 采用10⁵次蒙特卡洛仿真验证分析结果，并与基于中继的系统进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在采用最优RIS选择的多RIS辅助双跳协作网络中，中断概率如何随K变化？
• RQ2 随着RIS数量增加，平均和速率的渐近行为如何？
• RQ3 RIS数量（K）与每个RIS的反射单元数（N）如何联合影响系统的分集增益与频谱效率？
• RQ4 多RIS辅助系统的容量扩展定律是什么？与传统中继系统相比有何差异？
• RQ5 在中断概率与和速率方面，RIS辅助系统相较于放大-转发或解码-转发中继方案的性能优势有多大？

主要发现

• 系统的可实现分集阶数恰好为KN，证实RIS数量与每个RIS的反射单元数对分集增益的贡献均为线性。
• 渐近中断概率随K增大时按1/(ln K)比例衰减，表明分集增益与KN成正比，且该比例依赖于平均SNR与N。
• 渐近和速率随K对数增长，随N线性增长，其表达式近似为log₂(ln K) + log₂(N) + log₂(γ̄) + 常数。
• 该系统在中断概率与平均和速率方面显著优于解码-转发中继方案，尤其在高SNR下表现更优。
• 增加N对性能的提升效果比单独增加K更显著，且KN的乘积决定了分集阶数，这一点在中断概率图中表现为相同KN值的曲线具有相同斜率。
• 渐近和速率表达式与仿真结果高度吻合，尤其在N较大时，验证了所推导扩展定律的正确性。