[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface-Empowered Code Index Modulation for High-Rate SISO Systems

Fatih Çögen, Burak Ahmet Özden+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种可重构智能表面赋能的码索引调制（CIM-RIS）系统，通过利用扩频码索引与RIS反射控制，在高速率SISO系统中提升了频谱效率与能量效率。仿真结果表明，与传统RIS相比，系统在信噪比（SNR）方面实现了高达19.86 dB的增益，同时通过RIS相位移联合调制符号与码索引，实现了更高的数据速率与更低的能量消耗。

ABSTRACT

In this study, a novel index modulation based communication system is proposed by combining the recently popular code index modulation-spread spectrum (CIM-SS) and reconfigurable intelligent surface (RIS) techniques. This technique is called CIM-RIS in short. In this proposed system, in addition to the traditional modulated symbols, the spreading code indices also carry data by being embedded in the signal, and the reflection/scattering properties of the signals are voluntarily controlled via the RIS technique. Consequently, the proposed system consumes little energy while transmitting extra bits of information compared to the traditional RIS. Average bit-error error (ABER) analysis of the proposed system is carried out and the system complexity, energy efficiency, and throughput analyses are obtained. Performance analysis of the system is carried out on Rayleigh fading channels for the M-ary quadrature amplitude modulation (QAM) technique. It has been shown by computer simulations that the CIM-RIS scheme has better error performance, faster data transmission speed, and lower transmission energy, compared to traditional RIS, transmit spatial modulation aided RIS (TSM-RIS) and transmit quadrature spatial modulation based RIS (TQSM-RIS) techniques.

研究动机与目标

• 为应对物联网和多媒体应用中对高速率、高能效无线通信日益增长的需求。
• 克服传统RIS系统通过高阶QAM传输所有比特所导致的能量消耗增加与误码率升高的局限性。
• 通过利用扩频码索引作为额外的信息域，提升频谱与能量效率。
• 将可重构智能表面（RIS）与码索引调制（CIM）相结合，以在瑞利衰落信道中实现性能增强。
• 在真实衰落条件下评估系统复杂度、吞吐量、能量效率及误比特率（BER）性能。

提出的方法

• 该系统将码索引调制（CIM）与可重构智能表面（RIS）相结合，其中数据比特被分配至调制符号（M-QAM）与扩频码索引（沃尔什-哈达玛德码）两个部分。
• RIS单元通过动态控制信号反射相位，利用波束成形传递额外信息，实现在不增加额外功率的前提下实现空间复用。
• 发射端在每个时隙仅发送一个激活符号，使用选定的扩频码，其中码索引承载部分数据；同时，RIS相位偏移进一步调制信号以承载更多比特。
• 接收端执行联合检测：首先通过相关性估计扩频码索引，随后解调M-QAM符号以恢复数据。
• 系统性能通过平均误比特率（ABER）、能量效率与吞吐量等指标，在瑞利衰落信道中进行分析。
• 仿真对比了CIM-RIS与传统RIS、TSM-RIS及TQSM-RIS在RIS单元数（N=16至128）与比特负载（u=8至11）变化条件下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在瑞利衰落信道中，CIM-RIS相较于传统RIS在频谱效率与能量效率方面有何提升？
• RQ2 将数据比特分配至符号调制与扩频码索引对误码性能与系统复杂度有何影响？
• RQ3 RIS单元数（N）的增加对CIM-RIS系统的BER与SNR性能有何影响？
• RQ4 在信噪比增益与误比特率方面，CIM-RIS相较于TSM-RIS与TQSM-RIS的性能表现如何？
• RQ5 在所提出的CIM-RIS架构中，数据速率、能量效率与系统复杂度之间存在何种权衡？

主要发现

• 当N=64且u=10比特时，CIM-RIS系统相较于传统RIS实现了19.86 dB的SNR增益，表现出更优的误码性能。
• 当N=128且u=8比特时，CIM-RIS系统相较传统RIS获得14.2 dB的SNR增益，较TQSM-RIS与TSM-RIS分别提升119 dB与124 dB。
• 当u=11比特且N=32时，CIM-RIS系统相较TSM-RIS与TQSM-RIS分别获得112.8 dB与117.68 dB的SNR增益，证实其在高数据负载下的鲁棒性。
• 随着RIS单元数（N）增加，误码性能提升，且当扩频码索引承载的比特数增加时，BER降低。
• 由于高效利用码索引与RIS相位偏移，CIM-RIS系统相较于传统RIS、TSM-RIS与TQSM-RIS展现出显著更低的传输能量与更高的数据速率。
• 三维BER性能分析表明，增加反射单元数（N）与扩频码索引数（L）可提升系统可靠性，而更高的M-QAM阶数则会降低性能。