[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) Aided Multi-User Networks: Interplay Between NOMA and RIS

Yuanwei Liu, Xidong Mu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 34

ひとこと要約

本論文はNOMAとOMAの下でRIS支援のマルチユーザネットワークを分析し、ダイナミック RIS 設定がNOMA の容量達成であることを示し、RIS の展開を検討し、RIS-NOMA システムに対する共同ビームフォーミング設計を提案する。

ABSTRACT

This article focuses on the exploitation of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) in multi-user networks employing orthogonal multiple access (OMA) or non-orthogonal multiple access (NOMA), with an emphasis on investigating the interplay between NOMA and RIS. Depending on whether the RIS reflection coefficients can be adjusted only once or multiple times during one transmission, we distinguish between static and dynamic RIS configurations. In particular, the capacity region of RIS aided single-antenna NOMA networks is characterized and compared with the OMA rate region from an information-theoretic perspective, revealing that the dynamic RIS configuration is capacity-achieving. Then, the impact of the RIS deployment location on the performance of different multiple access schemes is investigated, which reveals that asymmetric and symmetric deployment strategies are preferable for NOMA and OMA, respectively. Furthermore, for RIS aided multiple-antenna NOMA networks, three novel joint active and passive beamformer designs are proposed based on both beamformer based and cluster based strategies. Finally, open research problems for RIS-NOMA networks are highlighted.

研究の動機と目的

• MA スキーム（NOMA および OMA）を用いた RIS 支援のマルチユーザネットワークの動機付けと研究。
• 静的および動的 RIS 設定の下で情報理論的容量限界を特性化する。
• RIS 展開戦略とそれらが NOMA および OMA の性能に与える影響を検討する。
• RIS 支援のマルチアンテナ NOMA ネットワークのための共同アクティブおよびパッシブビームフォーミング設計を提案する。
• RIS-NOMA システムにおける未解決の研究課題と今後の方向性を強調する。

提案手法

• RIS によって支援される単一アンテナ BS と複数の単一アンテナユーザからなる RIS 支援マルチユーザブロードキャストチャネルをモデル化する。
• 静的 RIS 設定（1 回限りの反射係数）と動的 RIS 設定（1 回の送信中に複数回更新される反射係数）を区別する。
• 静的および動的 RIS 設定の下で RIS 支援 BC の容量領域を導出し、NOMA での動的 RIS が容量達成であることを示す。
• RIS の展開戦略（集中化とリバース）を提案し、それらが NOMA および OMA に与える影響を分析する。
• ビームフォーマーに基づくおよびクラスタベースのアプローチを含む、RIS 支援のマルチアンテナ NOMA ネットワークのための共同アクティブおよびパッシブビームフォーミング設計を開発する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的対動的 RIS 設定を持つ NOMA および OMA における RIS 支援のマルチユーザネットワークの基本的な容量限界は何か？
• RQ2 RIS 展開位置は RIS 支援ネットワークにおける NOMA および OMA の性能にどう影響するか？
• RQ3 多アンテナ NOMA ネットワークで RIS を効果的に活用する共同アクティブおよびパッシブビームフォーミング戦略は何か？
• RQ4 NOMA で動的 RIS 設定と SIC を使用する際の複雑さと容量の実用的トレードオフは何か？
• RQ5 CSI、ML 設計、およびハードウェア検証に関して RIS-NOMA ネットワークに残る未解決の課題は何か？

主な発見

• 動的 RIS 設定は NOMA を用いた RIS 支援のマルチユーザ BC の容量達成であり、静的 RIS および OMA より容量領域で優れている。
• 特定のシナリオでは動的 RIS が OMA に対してより大きな利得をもたらし、容量と計算のトレードオフを浮き彫りにする。
• 非対称 RIS 展開（あるユーザに近い方）がチャネルの非対称性を高め NOMA に有利であり、対称展開は FDMA/TDMA を有利にする。
• 多アンテナ NOMA に対して、等価な再構成可能チャンネル設計はアクティブビームフォーマとパッシブビームフォーマの共同最適化に役立つ。
• クラスタベースの RIS-NOMA 設計（集中型および分散型）は異なるカバレッジと CSI 要件を提供し、複雑さと拡張性のトレードオフがある。