[論文レビュー] A Joint Design for STAR-RIS enhanced NOMA-CoMP Networks: A Simultaneous-Signal-Enhancement-and-Cancellation-based (SSECB) Design

Tianwei Hou, Jun Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、STAR-RISを用いたNOMA-CoMPネットワークにおける同時信号強化およびキャンセレーションに基づく（SSECB）設計を提案する。反射および透過ビームフォーミングを共同最適化することで、干渉を低減するとともに希望信号を強化する。シミュレーション結果から、十分に多くのRIS素子を備えた場合、同頻営干渉が完全にキャンセルされ、従来のSEBおよびSCB設計と比較してスペクトル効率が著しく向上することが示された。

ABSTRACT

In this correspondence, a novel simultaneous transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RISs) design is proposed in a non-orthogonal multiple access (NOMA) enhanced coordinated multi-point transmission (CoMP) network. Based on the insights of signal-enhancement-based (SEB) and signal-cancellation-based (SCB) designs, we propose a novel simultaneous-signal-enhancement-and-cancellation-based (SSECB) design, where the inter-cell interferences and desired signals can be simultaneously eliminated and boosted. Our simulation results demonstrate that: i) the inter-cell interference can be perfectly eliminated, and the desired signals can be enhanced simultaneously with the aid of a large number of RIS elements; ii) the proposed SSECB design is capable of outperforming the conventional SEB and SCB designs.

研究の動機と目的

• 従来のSEBおよびSCB RIS設計がNOMA-CoMPネットワークで示す性能制限を解消すること。
• STAR-RISを用いて信号強化と干渉キャンセレーションを同時に実現し、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させること。
• 強いLoS条件下で効果的な干渉キャンセレーションを実現するための最小RIS素子数を導出すること。
• 提案されたSSECB設計の性能を、既存のSEBおよびSCB方式と比較すること。
• 将来の6GネットワークにおけるSTAR-RISの実用的で受動的なビームフォーミングフレームワークを提供すること。

提案手法

• STAR-RISの透過および反射モードを活用し、希望信号の強化と干渉の同時キャンセレーションを実現する新しいSSECBビームフォーミング設計を提案する。
• 路損およびチャネル利得パラメータに基づき、強いLoS条件下で完全な同頻営干渉キャンセレーションを達成するための最小RIS素子数を導出する。
• 反射および透過係数の制御を通じて干渉のナッシングと信号の集光を実現するため、共同受動ビームフォーミング最適化フレームワークを用いる。
• ユーザー多重化にパワー・ドメインNOMAを採用し、基地局およびユーザーが単一アンテナを備えることで、アクティブプレフィンギングの影響を分離する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、Kファクターや路損失指数を含む現実的な路損および fading パrametersを用いて性能を分析する。
• 率性能および干渉抑制の評価を目的として、RIS素子数および送信電力レベルを変化させた条件下で設計を検証する。

Figure 1: System model of the STAR-RIS enhanced NOMA-CoMP networks.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STAR-RISを用いたNOMA-CoMPネットワークにおいて、完全な同頻営干渉キャンセレーションを達成するために必要な最小RIS素子数は何か？
• RQ2 提案されたSSECB設計は、従来のSEBおよびSCBビームフォーミングと比較して、実現可能なデータレートでどのように優れているか？
• RQ3 異なるリンクの路損失指数が、効果的な干渉キャンセレーションに必要なRIS素子数にどのように影響するか？
• RQ4 RIS素子数の変化が、提案された設計における高SNRスロープに与える影響は何か？
• RQ5 提案された設計は、低SNRおよび高SNRの両領域において、希望信号の強化と同頻営干渉の抑制を同時に実現できるか？

主な発見

• 干渉リンクの路損失指数が高くなるほど、完全な同頻営干渉キャンセレーションに必要なRIS素子数が増加する。
• L = 27のRIS素子を備えた場合、高SNRスロープが1に達し、完全な干渉キャンセレーションおよびレートの上限がないことを示している。
• RIS素子数をL = 54に倍増させた場合、さらにデータレート性能が向上し、アパーチャゲインの増加に起因する利点が確認された。
• 提案されたSSECB設計は、すべてのSNR領域においてSEBおよびSCB設計を上回るスペクトル効率を達成しており、優れた性能を示している。
• RIS素子数が十分に多い場合には、小さなスケール fading 利得のランダム性を考慮すると、実用的に完全な干渉キャンセレーションが達成可能である。
• 送信電力が増加するにつれて、提案されたSSECB設計とno-RISベースラインとの性能差が拡大し、設計のロバスト性およびスケーラビリティが顕著に表れている。

Figure 2: Minimal required number of RIS elements for the proposed SSECB design in the STAR-RIS enhanced NOMA-CoMP networks, where the small-scale channel gains are normalized to all one, and $\alpha_{3,c}=\alpha_{3,e}=\alpha_{3}$ for simplicity.