[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided Communication: Capacity and Performance Analysis Over Rician Fading Channel
本文提出了在Rician衰落信道下，Reconfigurable Intelligent Surface（RIS）辅助的毫米波通信系统中，遍历容量和平均符号错误概率的闭式表达式。研究分析了信道状态信息（CSI）已知与未知两种场景，表明在低信噪比（SNR）、高衰落环境下，通过水填空（water filling）的自适应功率控制可提升性能；而大尺寸RIS孔径则可降低对发射端CSI的需求。
In this work, we consider a single input single output (SISO) system for Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) assisted mmWave communication. We consider Rician channel models over user node to RIS and RIS to Access Point (AP). We obtain closed form expressions for capacity with channel state information (CSI) and without CSI at the transmitter. Newly derived capacity expressions are closed form expressions in a very compact form. We also simplified the closed form expressions for average symbol error probability. We also characterize the impacts of key parameters Rician factor K and number of elements on IRS on ergodic capacity with CSI and without CSI at the transmitter.
研究动机与目标
- 推导RIS辅助的单输入单输出（SISO）系统在Rician衰落信道下的紧凑、闭式遍历容量表达式。
- 分析Rician因子$K$和RIS单元数$N$在发射端具有与不具有CSI时对系统性能的影响。
- 评估在已知CSI条件下，水填空功率控制在容量最大化方面的有效性。
- 确定在何种条件下需要CSI以实现功率自适应，特别是在低SNR或高衰落区域。
提出的方法
- 利用拉盖尔级数法推导信道分布，将端到端信道增益建模为独立同分布的Rician随机变量之和。
- 使用梅杰G函数和广义超几何函数，以闭式表达遍历容量。
- 在已知CSI条件下应用水填空功率控制以最大化遍历容量，其推导基于涉及梅杰G函数的积分表示。
- 利用相同的分布框架，以简化闭式表达推导平均符号错误概率（ASEP）。
- 对统计CSI与瞬时CSI两种情况进行系统表征，以供性能对比。
- 通过在不同$K$、$N$和SNR区域的数值仿真验证分析结果的准确性。
实验结果
研究问题
- RQ1在发射端具有与不具有CSI的条件下，RIS辅助的SISO系统在Rician衰落信道下的遍历容量行为如何？
- RQ2Rician因子$K$和RIS单元数$N$对遍历容量及自适应功率控制需求的影响是什么？
- RQ3在何种SNR区域，水填空功率控制相比恒定发射功率可显著提升容量？
- RQ4在何种条件下，大尺寸RIS孔径可消除对基于CSI的功率自适应的需求？
主要发现
- 本文利用梅杰G函数和拉盖尔级数近似，首次推导出在已知与未知CSI条件下遍历容量的新型紧凑闭式表达式。
- 在低SNR和高衰落（低$K$）区域，水填空功率控制可显著提升遍历容量，尤其当$N$较小时效果更明显。
- 当$K$值较高（视 Line-of-Sight 成分较强）时，以平均功率发射的性能几乎与水填空相当，表明对CSI反馈的需求降低。
- 当$N$较大时（例如$N=5$），即使$K$较低，系统仍能实现高容量而无需自适应功率控制，从而降低信道估计开销。
- 数值结果表明，增加$N$可补偿信道随机性，使基于CSI的功率控制在大孔径RIS系统中变得不那么关键。
- 所推导的ASEP表达式形式简化且具有解析可操作性，可在计算成本极低的前提下实现Rician衰落信道下的性能评估。
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