[论文解读] Performance Evaluation and Diversity Analysis of RIS-Assisted Communications Over Generalized Fading Channels in the Presence of Phase Noise

Imène Trigui, Wessam Ajib+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种统一的分析框架，用于评估在存在相位噪声的广义衰落信道中，可重构智能表面（RIS）辅助通信的性能，采用Fox's H-分布对衰落进行建模。推导了中断概率和分集阶数的闭式表达式，表明当任意两个RIS元件之间的绝对相位误差差小于$\pi/2$时，RIS系统即使在相位噪声下也能实现全分集。该框架通过蒙特卡洛仿真得到验证，适用于任意数量的反射单元以及各种衰落/相位噪声分布。

ABSTRACT

In this paper, we develop a comprehensive theoretical framework for analyzing the performance of reconfigurable intelligent surfaces (RISs)-assisted communication systems over generalized fading channels and in the presence of phase noise. To this end, we propose the Fox's H model as a unified fading distribution for a large number of widely used generalized fading channels. In particular, we derive a unified analytical framework for computing the outage probability and for estimating the achievable diversity order of RIS-aided systems in the presence of phase shifts that either are optimally configured or are impaired by phase noise. The resulting expressions are general, as they hold for an arbitrary number of reflecting elements, and various channel fading and phase noise distributions. As far as the diversity order is concerned, notably, we introduce an asymptotic analytical framework for determining the diversity order in the absence of phase noise, as well as sufficient conditions based on upper bounds and lower bounds for ensuring that RIS-assisted systems achieve the full diversity order in the presence of phase noise. More specifically, if the absolute difference between pairs of phase errors is less than $π/2$, RIS-assisted communications achieve the full diversity order over independent fading channels, even in the presence of phase noise. The theoretical frameworks and findings are validated with the aid of Monte Carlo simulations.

研究动机与目标

• 开发一个统一的理论框架，用于分析在广义衰落和相位噪声条件下的RIS辅助通信系统。
• 采用Fox's H-分布作为统一表示，对多种衰落模型的端到端信道分布进行建模。
• 推导在相位噪声存在下中断概率与分集阶数的闭式表达式。
• 建立在相位噪声下实现全分集阶数的充分条件，特别是当相位误差差值受约束时。
• 通过在各种信道与噪声配置下的蒙特卡洛仿真，验证分析结果。

提出的方法

• 采用Fox's H-分布作为统一的衰落模型，以表示包括瑞利衰落、莱斯衰落和Nakagami-m衰落在内的广义衰落信道类别。
• 将端到端信道增益建模为两个复高斯随机变量的乘积，分别代表从发射机到RIS和从RIS到接收机的莱斯衰落分量。
• 利用Mellin-Barnes积分表示法和高斯超几何函数的性质，推导出信道增益平方的累积分布函数（CDF）。
• 通过Euler-Gauss极限进行渐近分析，以处理高信噪比（SNR）区域，并简化涉及大量RIS单元时的表达式。
• 通过中断概率的上下界分析分集阶数，推导出在相位噪声下实现全分集的条件。
• 将相位噪声建模为$[-\pi, \pi]$上的均匀分布，并通过修正的相位误差分布将影响整合到统计信道模型中。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一个统一的分析框架，以评估在存在相位噪声的广义衰落信道中RIS辅助系统的性能？
• RQ2 相位噪声对RIS辅助系统中断概率与分集阶数有何影响？
• RQ3 在何种条件下，RIS辅助系统可在存在相位噪声时实现全分集？
• RQ4 RIS单元的数量如何影响在相位噪声下系统的性能与分集增益？
• RQ5 Fox's H-分布能否准确表示具有相关衰落分量的RIS辅助系统中的端到端信道增益？

主要发现

• Fox's H-分布提供了一个统一模型，涵盖瑞利衰落、莱斯衰落和Nakagami-m衰落，从而支持对RIS辅助系统的通用分析。
• 推导出适用于任意数量RIS单元以及各种衰落和相位噪声分布的中断概率闭式表达式。
• 当任意一对相位误差的绝对差值小于$\pi/2$时，即使存在相位噪声，系统仍能实现全分集。
• 当相位噪声在$[-\pi, \pi]$上均匀分布时，只要满足相同条件，系统仍能实现全分集，该结论通过渐近分析得到验证。
• 通过蒙特卡洛仿真验证了分析结果的准确性，结果在不同SNR区域和系统配置下均表现一致。
• 该框架揭示了先前工作中基于中心极限定理的近似方法在小规模RIS系统中不准确，尤其是在高SNR区域。