[論文レビュー] Downlink Analysis for Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided NOMA Networks

Chao Zhang, Wenqiang Yi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知能表面（RIS）支援の非直交多重アクセス（NOMA）下行リンクネットワークの確率的幾何学的分析を提案する。RIS反射路は距離積モデルを用いてモデル化され、ポアソンクラスタ過程が用いられる。閉形式のカバレッジ確率式が導出され、RISが遮蔽されたユーザーのチャネル状態を改善し、動的逐次干渉キャンセレーション（SIC）順序を可能にすることで、スペクトル効率とユーザーの公平性を顕著に向上させ、従来のNOMAおよびOMAシステムを上回ることを示している。

ABSTRACT

By activating blocked users and altering successive interference cancellation (SIC) sequences, reconfigurable intelligent surfaces (RISs) become promising for enhancing non-orthogonal multiple access (NOMA) systems. This work investigates the downlink performance of RIS-aided NOMA networks via stochastic geometry. We first introduce the unique path loss model for RIS reflecting channels. Then, we evaluate the angle distributions based on a Poisson cluster process (PCP) framework, which theoretically demonstrates that the angles of incidence and reflection are uniformly distributed. Lastly, we derive closed-form expressions for coverage probabilities of the paired NOMA users. Our results show that 1) RIS-aided NOMA networks perform better than the traditional NOMA networks; 2) the SIC order in NOMA systems can be altered since RISs are able to change the channel gains of NOMA users.

研究の動機と目的

• 実際のマルチセル展開を想定した、RIS支援NOMAネットワークの下行性能を確率的幾何学的手法を用いて分析すること。
• 長距離・屋外環境に適した、RIS反射リンク用のパスロスモデルを導出すること。
• 基地局（BS）、RIS、ユーザー間の空間的配置における角度の分布を調査し、一様分布仮定の妥当性を検証すること。
• RIS支援下でのペaired NOMAユーザーのカバレッジ確率の閉形式式を導出すること。
• カバレッジおよびSIC順序の柔軟性の観点から、RIS支援NOMAが従来のNOMAおよびRIS支援OMAを上回る性能向上を示すかどうかを評価すること。

提案手法

• ユーザーおよび基地局の空間的クラスタリングを表現するため、ポアソンクラスタ過程（PCP）を用いてネットワークをモデル化し、現実の展開パターンを捉える。
• 長距離屋外通信に妥当であることを検証した、入射距離と反射距離の積に基づくRIS反射リンク用のパスロスモデルを提案する。
• BS-RIS-ユーザー間の角度分布を分析し、PCPフレームワークを用いて[0, π]上で一様分布であることを証明する。
• ラプラス変換およびモーメント生成関数技術を用いて、通常ユーザーおよび接続済みNOMAユーザーのカバレッジ確率の閉形式式を導出する。
• 干渉制限環境の解析を容易にするために、正規化されたガンマ変数の上界と近似を用いる。
• RIS支援NOMA、従来のNOMA、RIS支援OMAを、さまざまなSNR、BS密度、RISサイズの条件下で比較する数値シミュレーションを通じて、解析結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離・屋外環境におけるRIS反射リンクのパスロスはどのように振る舞うか？
• RQ2 クラスタ構造を持つネットワークにおける基地局、RIS、ユーザーが形成する角度の統計的分布は何か？
• RQ3 RISは、マルチセル環境下のNOMAユーザーのカバレッジ確率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 RISは、NOMAシステムにおける逐次干渉キャンセレーション（SIC）順序を動的に変更可能か？性能向上に寄与するか？
• RQ5 RIS支援NOMAは、従来のNOMAおよびRIS支援OMAに比べて、どのような性能向上を示すか？

主な発見

• RIS反射リンクのパスロスモデルは、入射距離と反射距離の積に比例し、長距離屋外展開に適している。
• RIS支援NOMAネットワークにおける入射角および反射角は[0, π]上で一様分布しており、解析における等方的散乱仮定の妥当性が裏付けられる。
• RIS支援NOMAは、特に通常（遠距離）ユーザーにおいて、チャネルゲインの向上とアウトージ確率の低減により、従来のNOMAよりも顕著に高いカバレッジ確率を達成する。
• SIC順序は、RISによるチャネルゲインの変更によって再構成可能であり、主ユーザーが不要なSIC手順を回避し、アウトージリスクを低減できる。
• RIS長の増加により、位相制御および信号反射ゲインの向上によりカバレッジ性能が向上し、3mのRISが0.75mおよび1.5mのバージョンを上回る性能を示す。
• パスロス指数が高くなる（例：α = 4）とカバレッジ性能が劣化し、パスロス指数とシステム性能の間に負の相関関係があることが示された。