[论文解读] Performance Analysis of Reconfigurable Intelligent Surfaces over Nakagami-m Fading Channels

Monjed H. Samuh, Anas M. Salhab|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering被引用 19

一句话总结

本文通过推导中断概率、平均符号错误概率（ASEP）和信道容量的闭式近似表达式，分析了瑞利衰落信道下可重构智能表面（RIS）辅助网络的性能。研究发现，该系统获得的分集增益为 (a+1)/2，其中 a 取决于 Nakagami-m 参数 m 和反射单元数量 N，且 m 对性能的影响强于 N。

ABSTRACT

This letter studies the performance of reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided networks over Nakagami-m fading channels. First, we derive accurate closed-form approximations for the system channel distributions, and then, use them in deriving closed-form approximations for the outage probability, average symbol error probability (ASEP), and average channel capacity. In addition, to get more insights at the system performance, we derive asymptotic expression for the outage probability at high signal-to-noise ratio (SNR) regime, and provide closed-form expressions for the system diversity order and coding gain. Results show that the considered RIS scenario can provide a diversity order of (a+1)/2, where a is a function of the Nakagami-m fading parameter m and the number of reflecting elements N. Furthermore, results illustrate that m is more impactful on the diversity order and the system performance than N. Finally, the provided results are valid for arbitrary number of reflecting elements N and non-integer m.

研究动机与目标

• 分析可重构智能表面（RIS）辅助网络在Nakagami-m衰落环境下的性能。
• 推导关键系统性能指标（中断概率、平均符号错误概率（ASEP）和平均信道容量）的精确闭式近似表达式。
• 在高信噪比（SNR）区域研究RIS辅助系统的分集增益和编码增益。
• 量化Nakagami-m衰落参数 m 与反射单元数量 N 对系统性能的相对影响。
• 确保所推导的表达式适用于任意 N 和非整数 m 值。

提出的方法

• 推导RIS辅助网络在Nakagami-m衰落信道下的系统信道分布的闭式近似表达式。
• 利用所推导的信道分布，以闭式形式解析计算中断概率、ASEP 和平均信道容量。
• 在高SNR条件下应用渐近分析，推导中断概率表达式，并提取分集增益和编码增益。
• 将分集增益表示为 (a+1)/2，其中 a 是Nakagami-m参数 m 和反射单元数量 N 的函数。
• 通过数学推导和渐近分析验证所推导的表达式，确保其适用于非整数 m 和任意 N。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS辅助系统在Nakagami-m衰落信道下的中断概率、ASEP 和平均信道容量是否存在闭式表达式？
• RQ2 分集增益如何随Nakagami-m衰落参数 m 和反射单元数量 N 变化？
• RQ3 m 与 N 对系统分集增益和整体性能的相对影响如何？
• RQ4 在所考虑的RIS场景中，高SNR下的渐近中断性能和编码增益行为如何？
• RQ5 所推导的表达式是否适用于Nakagami-m衰落参数 m 的非整数值以及任意数量的反射单元 N？

主要发现

• 该系统获得的分集增益为 (a+1)/2，其中 a 取决于Nakagami-m衰落参数 m 和反射单元数量 N。
• Nakagami-m衰落参数 m 对分集增益和整体系统性能的影响，强于反射单元数量 N。
• 推导并验证了适用于任意 N 和非整数 m 的中断概率、ASEP 和平均信道容量的闭式表达式。
• 渐近分析证实了高SNR区域下的分集增益和编码增益，为系统设计提供了性能洞察。
• 所推导的表达式在广泛系统配置下均具有高精度和适用性，包括非整数 m 和任意 N。
• 结果表明，系统性能对衰落严重程度（由 m 控制）的敏感性，高于对反射单元数量的敏感性。