[論文レビュー] MIMO-NOMA Networks Relying on Reconfigurable Intelligent Surface: A Signal Cancellation Based Design

Tianwei Hou, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 44被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知能表面（RIS）を用いたMIMO-NOMAネットワークにおける信号キャンセレーションベース（SCB）の受動ビームフォーミング設計を提案し、RISを活用してクラスタ間干渉を無効化することで、干渉のないユーザペアリングを実現する。主な貢献は、 outage probability（OP）、ergodic rate（ER）、エネルギー効率（EE）の閉形式解析であり、十分な数のRIS要素を有すればクラスタ間干渉を排除可能であり、LoSリンクが不要な異常反射状況下でも有効であることを示している。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) technique stands as a promising signal enhancement or signal cancellation technique for next generation networks. We design a novel passive beamforming weight at RISs in a multiple-input multiple-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) network for simultaneously serving paired users, where a signal cancellation based (SCB) design is employed. In order to implement the proposed SCB design, we first evaluate the minimal required number of RISs in both the diffuse scattering and anomalous reflector scenarios. Then, new channel statistics are derived for characterizing the effective channel gains. In order to evaluate the network's performance, we derive the closed-form expressions both for the outage probability (OP) and for the ergodic rate (ER). The diversity orders as well as the high-signal-to-noise (SNR) slopes are derived for engineering insights. The network's performance of a finite resolution design has been evaluated. Our analytical results demonstrate that: i) the inter-cluster interference can be eliminated with the aid of large number of RIS elements; ii) the line-of-sight of the BS-RIS and RIS-user links are required for the diffuse scattering scenario, whereas the LoS links are not compulsory for the anomalous reflector scenario.

研究の動機と目的

• 複数のユーザが同じリソースブロックを共有するMIMO-NOMAネットワークにおけるクラスタ間干渉の課題に対処すること。
• 受信アンテナ数が送信アンテナ数を上回る必要があるという、従来のZFおよびSAベースのビームフォーミング設計の制限を克服すること。
• RISにおける新たな受動ビームフォーミング戦略を考案し、信号強化ではなく信号キャンセレーションを実現することで、スペクトル効率およびエネルギー効率の向上を図ること。
• 提案されたSCB設計の性能を、outage probability（OP）、ergodic rate（ER）、分岐次数、エネルギー効率（EE）の観点から分析すること。
• RIS要素の最小数を特定し、RISの配置（LoS対非LoS）がシステム性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• MIMO-NOMAシステムにおけるクラスタ間干渉を無効化するため、RISに信号キャンセレーションベース（SCB）の受動ビームフォーミング設計を提案する。
• RISを拡散散乱体または異常反射体としてモデル化し、有効チャネル利得の新たなチャネル統計を導出する。
• 下側不完全ガンマ関数および指数積分関数を用いて、outage probability（OP）およびergodic rate（ER）の閉形式表現を定式化する。
• 分岐次数および高SNRスロープを分析し、システム性能のスケーリングに関するインサイトを提供する。
• 有限解像度RIS設計の評価を通じて、実装上のトレードオフを検討する。
• ユーザ側で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を実行し、チャネル状態情報（CSI）を活用して検出ベクトルを整列させ、干渉を無効化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISを用いた受動ビームフォーミングは、追加の受信アンテナを必要とせずに、MIMO-NOMAネットワークにおけるクラスタ間干渉を効果的にキャンセリングできるか？
• RQ2 拡散散乱および異常反射状況下で、効果的なクラスタ間干渉キャンセリングを達成するために必要なRIS要素の最小数は何か？
• RQ3 BS-RISおよびRIS-ユーザ間リンクにLoSリンクが存在するか否かが、異なるRIS配置モデルにおけるシステム性能に与える影響は何か？
• RQ4 提案されたSCB設計におけるoutage probability（OP）およびergodic rate（ER）の閉形式表現は何か？
• RQ5 RIS要素数および解像度（ビット数）がシステムのエネルギー効率（EE）および最適配置に与える影響は何か？

主な発見

• RIS要素数が十分に大きい場合には、クラスタ間干渉を効果的に排除でき、信頼性の高いMIMO-NOMA伝送が可能になる。
• 拡散散乱状況では、BSとRIS間、およびRISとユーザ間のLoSリンクが、効果的な信号キャンセレーションを達成するために必要となる。
• 異常反射体状況では、LoSリンクが必須でないため、配置の柔軟性が向上する。
• 提案されたSCB設計は、RIS要素数Lに等しい分岐次数を達成する。これは、 fading 環境下でも堅牢な性能を示すことを示している。
• エネルギー効率（EE）はRIS要素数の増加に伴い一時的に向上するが、残存干渉およびオーバーヘッドの影響でやがて低下する。これは、最適なRIS要素数が存在することを示している。
• 高解像度RIS（1要素あたりのビット数が多い）は、残存干渉を低減し、EEを向上させるが、より高いビット解像度で性能が飽和する。