[論文レビュー] Coverage Characterization of STAR-RIS Networks: NOMA and OMA

Chenyu Wu, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、NOMAおよびOMAの両方の状況において、合計カバレッジ範囲を最大化するために、STAR-RISネットワークにおけるリソース割り当てと伝送/反射係数の共同最適化を提案する。非凸制約を凸形式に変換し、1次元探索を用いることで、著しいカバレッジ向上を達成しており、従来のRISと比較してカバレッジをほぼ2倍にまで拡大する。NOMAは多重接続利得と強化されたチャネル差の恩恵を受けるため、性能向上が顕著である。

ABSTRACT

The novel concept of simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) is investigated, where incident signals can be transmitted and reflected to users located at different sides of the surface. In particular, the fundamental coverage range of STAR-RIS aided two-user communication networks is studied. A sum coverage range maximization problem is formulated for both non-orthogonal multiple access (NOMA) and orthogonal multiple access (OMA), where the resource allocation at the access point and the transmission and reflection coefficients at the STAR-RIS are jointly optimized to satisfy the communication requirements of users. For NOMA, we transform the non-convex decoding order constraint into a linear constraint and the resulting problem is convex, which can be optimally solved. For OMA, we first show that the optimization problem for given time/frequency resource allocation is convex. Then, we employ the one dimensional search-based algorithm to obtain the optimal solution. Numerical results reveal that the coverage can be significantly extended by the STAR-RIS compared with conventional RISs.

研究の動機と目的

• STAR-RISを用いた2ユーザー通信ネットワークの基本的カバレッジ範囲を特定すること。
• 従来のRISが半空間カバレッジに制限される問題を、同時に伝送と反射を可能にすることで全空間カバレッジを実現すること。
• NOMAおよびOMAの両方において、APのリソース割り当てとSTAR-RISの伝送/反射係数を共同最適化すること。
• 個々のユーザーのQoS要件を満たしつつ、合計カバレッジ範囲を最大化すること。
• STAR-RISが従来のRISよりも優れた性能を示す理由と、NOMAがOMAを上回るカバレッジ拡張性能を示す理由を評価すること。

提案手法

• NOMAおよびOMAの合計カバレッジ範囲最大化問題を定式化し、APのリソース割り当てとSTAR-RIS係数を同時に最適化する。
• NOMAにおける非凸なデコード順序制約を線形制約に変換し、凸最適化ツール（例：CVX）を用いて解ける凸問題に変換する。
• OMAでは、時間／周波数リソース割り当てを固定し、パワー分割比に関する1次元探索を用いて凸部分問題を解く。
• APからRISおよびRISからユーザーへのリンクにおいて、ライン・オブ・サイト（LoS）成分と非ライン・オブ・サイト（NLoS）成分を含むRician fadingモデルを用いる。
• APを原点とし、STAR-RISを(50,0) mに配置する座標系を設定。M=100のエレメントを採用し、現実的なパスロスおよびSNRパラメータを設定する。
• 同一条件下で、STAR-RISと従来のRIS（反射のみおよび透過のみ）を数値シミュレーションで比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STAR-RISは、2ユーザー下行リンクネットワークにおいて、従来のRISと比較してどのようにカバレッジ範囲を向上させるか？
• RQ2 STAR-RISと組み合わせた場合、NOMAがOMAを上回るカバレッジ範囲拡張性能を示すのはどのような状況か？
• RQ3 リソース割り当てとSTAR-RIS係数の共同最適化は、合計カバレッジ範囲にどのように影響を与えるか？
• RQ4 チャネル差は、STAR-RISを用いたNOMA性能向上にどのように寄与するか？
• RQ5 RISエレメント数が、NOMAおよびOMAシステムにおける実現可能なカバレッジ範囲に与える影響は何か？

主な発見

• STAR-RISは、従来のRISと比較してカバレッジ範囲をほぼ2倍にまで拡大し、NOMAおよびOMA両システムで顕著なSTAR利得を達成する。
• NOMAでは、カバレッジ割り当てが非対称（μkが0または1に近い）である場合、多重接続利得が強化され、OMAとの性能差が顕著に顕在化する。
• NOMAとSTAR-RISの組み合わせはウィンウィンのシナリオを実現し、RISエレメント数（M）が増加するにつれてNOMAの利得がさらに増大する。
• Mが増加するにつれて、従来のRISと比較したSTAR利得が顕著になり、特にNOMAシステムで顕著である。
• QoS要件が5 bps/Hzの場合、STAR-RISを用いたNOMAにおけるカバレッジ範囲ペア（Dt, Dr）は、従来のRISを上回るほぼ2倍の性能を示す。
• TユーザーのQoS要件（γt）が高くなるにつれて、STAR-RISを用いたNOMAにおける合計カバレッジ範囲（D0）は、OMAよりも顕著に大きくなる。