[論文レビュー] Queue-Aware STAR-RIS Assisted NOMA Communication Systems

Nannan Zhang, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Lyapunovドリフト理論を用いてキュー重み付き和速率（QWSR）最大化問題を定式化することで、長期的な安定性を確保するキューに配慮したSTAR-RIS支援NOMAシステムを提案する。3つのプロトコル（エネルギー分割、モード切り替え、時間分割）の下で、NOMAのデコード順序、基地局におけるアクティブビームフォーミング、STAR-RISにおけるパassing伝送／反射係数を共同最適化する。時間分割プロトコルがQWSRおよび平均キュー長の観点で優れた性能を達成する。

ABSTRACT

In this paper, the queue-aware simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RIS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) communication system is investigated to ensure the system stability, where the long-term stability-oriented problem is reformulated to maximize the per-slot queue-weighted sum rate (QWSR) of users based on the Lyapunov drift theory. By jointly optimizing the NOMA decoding order, the active beamforming coefficients at the BS, and the passive transmission and reflection coefficients at the STAR-RIS, three STAR-RIS operating protocols are considered, namely energy splitting (ES), mode switching (MS), and time switching (TS). For ES, the blocked coordinate descent and the successive convex approximation methods are invoked to handle the highly-coupled and non-convex problem. For MS, the proposed algorithm is further extended to a penalty-based two-loop algorithm to solve the binary amplitude constrained problem. For TS, the formulated problem is decomposed into two subproblems, each of which can be solved in a similar manner to ES. Simulation results show that: i) our proposed STAR-RIS assisted NOMA communication achieves better performance than the conventional schemes; ii) the reformulated QWSR maximization problem confirms the system stability; and iii) TS achieves superior performance with respect to both the QWSR and the average queue length.

研究の動機と目的

• STAR-RIS支援NOMAシステムにおける無限時間ホライズンにおける長期的システム安定性を保証する課題に対処すること。
• 基地局におけるキュー長に基づいて動的にユーザーを優先順位付けするキュー重み付き和速率（QWSR）最大化フレームワークを設計すること。
• エネルギー分割、モード切り替え、時間分割の3つの運用プロトコルにおいて、NOMAのデコード順序、基地局におけるアクティブビームフォーミング、STAR-RISにおけるパassing係数を共同最適化すること。
• 各プロトコルにおける非凸かつ高く結合された最適化問題を解くための効率的な反復的アルゴリズムを設計し、特にモード切り替えにおける2値アモニチュード制約に対処すること。
• 広範なシミュレーションを通じて、提案手法のスペクトル効率およびキュー安定性における優位性を検証すること。

提案手法

• Lyapunovドリフト理論を用いて長期的安定性問題を1スロットごとのQWSR最大化問題に再定式化し、ユーザーのレート重みをキュー長に比例させる。
• キュー長が長いユーザーを優先するためのキュー重み付き和速率（QWSR）指標を導入し、公平性および安定性を向上させる。
• エネルギー分割（ES）では、ブロッキング座標降下法と逐次凸近似を適用して、結合的で非凸な問題においてビームフォーミングとSTAR-RIS係数を反復的に最適化する。
• モード切り替え（MS）では、2重ループ反復手法をペナルティベースに拡張し、2値アモニチュード制約を処理する。
• 時間分割（TS）では、問題を送信モードおよび反射モードの2つの部分問題に分解し、それぞれをESケースと同様に解く。
• 交互最適化と凸緩和技術を用いて、解の収束性と実用的妥当性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的ユーザー交通と無限時間ホライズンを有するSTAR-RIS支援NOMAシステムにおいて、システム安定性をどのように保証できるか？
• RQ2 基地局における変動するキュー長を持つNOMAシステムにおいて、ユーザーの優先順位付けの最適な方法は何か？
• RQ3 エネルギー分割、モード切り替え、時間分割の3つのSTAR-RIS運用プロトコルは、QWSRおよびキュー安定性の観点でNOMAシステムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 NOMAデコード順序、アクティブビームフォーミング、パassingSTAR-RIS係数の共同最適化がシステム性能に与える影響は何か？
• RQ5 非凸かつ結合的な最適化問題の性質を考慮しても、提案された反復的アルゴリズムが安定かつ高性能な解に収束できるか？

主な発見

• 提案されたQWSR最大化フレームワークは、キュー長に応じたユーザーレートの動的重み付けにより、長期的システム安定性を成功裏に確保した。
• 時間分割（TS）プロトコルが、3つのプロトコルの中で最高のキュー重み付き和速率（QWSR）と最低の平均キュー長を達成した。
• 逐次凸近似とブロッキング座標降下法に基づく反復的アルゴリズムは、反復毎の和速率の単調増加によって、安定解に収束することが証明された。
• STAR-RISとNOMAを備えたシステムは、特に高密度ユーザー環境下で、従来手法に比べスペクトル効率およびキュー安定性の両面で優れた性能を発揮した。
• NOMAデコード順序、アクティブビームフォーミング、パassingSTAR-RIS係数の共同最適化は、固定または部分最適な設定に比べ顕著な性能向上をもたらした。
• 理論的解析により、最適ビームフォーミング行列がランク1であることが確認され、実用的かつエネルギー効率の良い伝送が保証された。