[論文レビュー] Joint Design for Simultaneously Transmitting And Reflecting (STAR) RIS Assisted NOMA Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 38被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、合計スループットを最大化するために、復号順序、電力割り当て、アクティブビームフォーミング、送信/反射ビームフォーミングを共同最適化する画期的なSTAR-RIS-NOMAシステムを提案する。非凸問題に対処するための二層構造の反復アルゴリズムが開発され、特に全空間カバレッジ環境下で、従来のRIS-NOMAおよびRIS-OMAシステムに比べて優れたスペクトル効率を達成する。

ABSTRACT

Different from traditional reflection-only reconfigurable intelligent surfaces (RISs), simultaneously transmitting and reflecting RISs (STAR-RISs) represent a novel technology, which extends the half-space coverage to full-space coverage by simultaneously transmitting and reflecting incident signals. STAR-RISs provide new degrees-of-freedom (DoF) for manipulating signal propagation. Motivated by the above, a novel STAR-RIS assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) (STAR-RIS-NOMA) system is proposed in this paper. Our objective is to maximize the achievable sum rate by jointly optimizing the decoding order, power allocation coefficients, active beamforming, and transmission and reflection beamforming. However, the formulated problem is non-convex with intricately coupled variables. To tackle this challenge, a suboptimal two-layer iterative algorithm is proposed. Specifically, in the inner-layer iteration, for a given decoding order, the power allocation coefficients, active beamforming, transmission and reflection beamforming are optimized alternatingly. For the outer-layer iteration, the decoding order of NOMA users in each cluster is updated with the solutions obtained from the inner-layer iteration. Moreover, an efficient decoding order determination scheme is proposed based on the equivalent-combined channel gains. Simulation results are provided to demonstrate that the proposed STAR-RIS-NOMA system, aided by our proposed algorithm, outperforms conventional RIS-NOMA and RIS assisted orthogonal multiple access (RIS-OMA) systems.

研究の動機と目的

• 従来のRISの半空間カバレッジの制限を解消するため、全空間信号操作を可能にするSTAR-RIS-NOMAシステムを提案すること。
• 復号順序、電力割り当て、アクティブビームフォーミング、送信/反射ビームフォーミングの共同最適化を通じて、システムの合計スループットを最大化すること。
• 変数が複雑に結合された非凸最適化問題を、部分最適な二層構造の反復アルゴリズムで克服すること。
• STAR-RIS-NOMAが従来のRIS-NOMAおよびRIS-OMAシステムに比べ、スペクトル効率および公平性の面で優位であることを示すこと。

提案手法

• 二層構造の反復アルゴリズムを提案：内層では、固定された復号順序のもとで、電力割り当て、アクティブビームフォーミング、送信/反射ビームフォーミングの最適化を交互に実行する。
• 等価結合チャネルゲインに基づく復号順序決定手法を採用し、収束性と性能を向上させる。
• 凸部分問題を解くためにラグランジュ双対性とKKT条件を適用し、電力制約およびQoS制約下での最適ビームフォーミングを保証する。
• ランク1制約を課し、半定値緩和を用いて非凸ビームフォーミング最適化を処理する。ランク回復には固有値分解を用いる。
• 最小QoS制約下での最適電力割り当てに対して閉形式の式を導出。チャネルゲインが低いユーザーには最小限の電力を割り当て、残りの電力を最も強いユーザーに割り当てる。
• ラグランジュ乗数を用いた双対問題定式化により、双対ギャップがゼロとなるビームフォーミング最適化を解き、最適解への収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STAR-RISをNOMAシステムに効果的に統合することで、スペクトル効率とカバレッジをどのように向上させられるか？
• RQ2 変数が結合されたSTAR-RIS-NOMAシステムにおいて、合計スループットを最大化する共同最適化フレームワークは何か？
• RQ3 等価チャネルゲインに基づく提案された復号順序決定手法は、システム性能をどのように向上させるか？
• RQ4 STAR-RIS-NOMAは、従来のRIS-NOMAおよびRIS-OMAシステムに比べて、どのような性能向上を達成するか？
• RQ5 非凸制約下で、二層構造の反復アルゴリズムが近似的最適解にどの程度収束するか？

主な発見

• 提案されたSTAR-RIS-NOMAシステムは、全空間信号操作により、従来のRIS-NOMAおよびRIS-OMAシステムよりも高い合計スループットを達成する。
• 二層構造の反復アルゴリズムは、効率的に収束し、非凸共同最適化問題に対して近似的最適解を提供する。
• 最適電力割り当てでは、等価チャネルゲインが弱いユーザーには最小限の電力を割り当て、残りの電力を最も強いユーザーに割り当て、スペクトル効率を最大化する。
• 等価結合チャネルゲインに基づく復号順序は、ユーザーの順序を有効チャネル品質と一致させることで、システム性能を顕著に向上させる。
• ラグランジュ双対分解によるビームフォーミング最適化は、双対ギャップがゼロとなるため、最適解への収束を保証する。
• シミュレーション結果は、STAR-RIS-NOMAが合計スループットおよび公平性の面でベンチマークを上回ることを確認しており、特に直接リンクが劣悪な環境下で顕著な優位性を示す。