[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted Communications with Discrete Phase Shifts: How Many Quantization Levels are Required to Achieve Full Diversity?

Peng Xu, Gaojie Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 9

一句话总结

本文研究了可重构智能表面（RIS）在无线通信中实现全分集增益所必需的最小相位量化级别数。证明了至少需要三个量化级别（L ≥ 3）才能实现全分集增益N，而L = 2时分集增益最多仅为(N+1)/2。仿真结果证实，当L ≥ 3时性能损失可忽略不计。

ABSTRACT

Due to hardware limitations, the phase shifts of the reflecting elements of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) need to be quantized into discrete values. This letter aims to unveil the minimum required number of phase quantization levels $L$ in order to achieve the full diversity order in RIS-assisted wireless communication systems. With the aid of an upper bound of the outage probability, we first prove that the full diversity order is achievable provided that $L$ is not less than three. If $L=2$, on the other hand, we prove that the achievable diversity order cannot exceed $(N+1)/2$, where $N$ is the number of reflecting elements. This is obtained with the aid of a lower bound of the outage probability. Therefore, we prove that the minimum required value of $L$ to achieve the full diversity order is $L=3$. Simulation results verify the theoretical analysis and the impact of phase quantization levels on RIS-assisted communication systems.

研究动机与目标

• 确定RIS辅助系统实现全分集增益所必需的最小相位量化级别数。
• 分析离散相移对RIS辅助通信中中断概率和分集增益的影响。
• 基于量化级别数L建立分集增益的理论边界。
• 为具有有限相位分辨率的实际RIS硬件提供设计指导。

提出的方法

• 推导中断概率的上界，以证明当L ≥ 3时可实现全分集增益N。
• 基于中断概率上界，利用数学归纳法证明L ≥ 3时全分集增益的可实现性。
• 推导在量化边界附近相位误差条件下的中断概率下界，以分析L = 2时的性能极限。
• 分析高信噪比（SNR）下中断概率的渐近行为，以表征分集增益。
• 采用复高斯信道模型描述RIS链路，并假设衰落系数独立同分布。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，仿真中改变L和N的取值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RIS辅助系统中，实现全分集增益N所必需的最小相位量化级别数L是多少？
• RQ2 当仅使用两个相位级别（L = 2）时，分集增益如何变化？
• RQ3 当相移被量化时，全分集增益是否可以保持？若可以，其条件是什么？
• RQ4 相位量化误差分布对高SNR下中断性能有何影响？
• RQ5 反射单元数N与量化级别数L如何共同作用，以决定可实现的分集增益？

主要发现

• 只有当相位量化级别数L至少为3时，全分集增益N才可实现。
• 当L = 2时，可实现的分集增益最多为(N+1)/2，对于N > 1的情况，该值严格小于N。
• 当L ≥ 3时，中断概率曲线与理想相位设置下的曲线平行，表明无分集增益损失。
• 即使在中等N值下，当L ≥ 3时，相位量化导致的中断性能损失也可忽略不计。
• 当L = 2时，分集增益受限，因为相位误差在±π/2附近会引起深衰落，导致信号相消或相长干涉。
• 仿真结果证实，L ≥ 3可确保近乎完美的分集增益，而L = 2在高SNR下导致显著的性能误码底限。