Millimeter Wave Communications With Reconfigurable Intelligent Surfaces: Performance Analysis and Optimization

莱斯衰减 继电器 多径传播 计算机科学 电子工程 蒙特卡罗方法 极高频率 通信系统 瑞利衰落 信噪比(成像) 衰退 频道(广播) 功率(物理) 电信 工程类 数学 统计 物理 量子力学
作者
Hongyang Du,Jiayi Zhang,Julian Cheng,Bo Ai
出处
期刊:IEEE Transactions on Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:69 (4): 2752-2768 被引量:68
标识
DOI:10.1109/tcomm.2021.3051682
摘要

Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) can create favorable multipath to establish strong links that are useful in millimeter wave (mmWave) communications. While previous works assumed Rayleigh or Rician fading, we use the fluctuating two-ray (FTR) distribution to model the small-scale fading in mmWave frequency. First, we obtain the statistical characterizations of the product of independent FTR random variables (RVs) and the sum of product of FTR RVs. For the RIS-aided and amplify-and-forward (AF) relay systems, we derive exact end-to-end signal-to-noise ratio (SNR) expressions. To maximize the end-to-end SNR, we propose a novel and simple way to obtain the optimal phase shifts at the RIS elements. The optimal power allocation scheme for the AF relay system is also proposed. Furthermore, we evaluate important performance metrics including the outage probability and the average bit-error probability. To validate the accuracy of our analytical results, Monte-Carlo simulations are subsequently conducted to provide interesting insights. It is found that the RIS-aided system can attain the same performance as the AF relay system with low transmit power. More interestingly, as the channel conditions improve, the RIS-aided system can outperform the AF relay system using a smaller number of reflecting elements.
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