[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface Enhanced NOMA Assisted Backscatter Communication System

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、再構成可能知能表面（RIS）を統合した非直交多重アクセス（NOMA）バックスキャター通信システムを提案し、電力反射係数とRIS位相シフトを共同最適化することで、和スループットを最大化することを目的としている。逐次凸近似と多様体最適化を組み合わせた逐次最適化フレームワークを用いることで、提案手法は優れたスペクトル効率を達成し、特に大きなRISアパーチャーサイズにおいてベンチマーク手法を上回る性能を示した。

ABSTRACT

A reconfigurable intelligent surface (RIS) enhanced non-orthogonal multiple access assisted backscatter communication (RIS-NOMABC) system is considered. A joint optimization problem over power reflection coefficients and phase shifts is formulated. To solve this non-convex problem, a low complexity algorithm is proposed by invoking the alternative optimization, successive convex approximation and manifold optimization algorithms. Numerical results corroborate that the proposed RIS-NOMABC system outperforms the conventional non-orthogonal multiple access assisted backscatter communication (NOMABC) system without RIS, and demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed algorithm.

研究の動機と目的

• 従来のバックスキャター通信システムにおけるカバレッジ制限と低スペクトル効率の問題を解決すること。
• RISとNOMA技術を統合することで、バックスキャターネットワークにおけるシステム和スループットを向上させること。
• サービス品質（QoS）制約の下で、バックスキャターデバイスにおける電力反射係数とRISにおける位相シフトを共同最適化すること。
• 非凸最適化問題を解く低複雑度のアルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 最小QoS制約の下でシステム和スループットを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 電力反射係数とRIS位相シフトの共同設計を分離するために逐次最適化を適用する。
• 逐次凸近似（SCA）を用いて、非凸な部分問題を反復的に凸問題に近似する。
• 位相シフト部分問題を単位球上に効率的に解くために多様体最適化を採用する。
• 定理1を統合して、与えられた位相シフトに対する最適な電力反射係数を導出する。
• 収束するまで変数を反復的に更新し、計算コストを低く抑えながら高品質な解を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISの統合は、NOMA支援バックスキャター通信システムの和スループットを顕著に向上させるか？
• RQ2 電力反射係数とRIS位相シフトの共同最適化は、システム性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 提案アルゴリズムは、PSDP-RISやRandom-RISといったベースライン手法と比較して、どの程度の性能向上を達成するか？
• RQ4 RIS要素数と送信電力の増加は、システム和スループットにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたRIS-NOMABCシステムは、RISを備えない従来のNOMABCシステムと比較して、特に大きなRISアパーチャーサイズにおいて顕著に高い和スループットを達成した。
• RIS要素数が50で送信電力が40 dBmの場合、提案アルゴリズムはNOMABC-noRISベースラインと比較して30％以上の和スループット向上を達成した。
• RIS反射要素数と送信電力の両方が増加するにつれて、システム和スループットが上昇し、RIS-NOMABC設計のスケーラビリティが裏付けられた。
• 提案アルゴリズムは、すべてのシミュレーションシナリオにおいてPSDP-RISおよびRandom-RISベンチマークを上回り、その有効性が確認された。
• 位相シフトと電力反射係数の共同最適化により、顕著なスペクトル効率の向上が達成され、バックスキャターシステムにおけるRISとNOMAの相乗効果が裏付けられた。