[論文レビュー] Simultaneous Transmitting and ReflectingIntelligent Surfaces-Empowered NOMA Networks

Mahmoud Aldababsa, Aymen Khaleel+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、チャネル推定オーバーヘッドを低減するためのスケーラブルな位相シフト設計を備えた、同時送信および反射が可能な再構成可能インテリジェント表面（STAR-RIS）を支援する非直交多重アクセス（NOMA）システムを提案する。この研究では、ユーザー間でSTAR-RIS素子を最適に割り当てるための新規アルゴリズムを導入し、合計スループットを最大化するとともにQoSを満たす。また、モンテカルロシミュレーションによる検証を通じて、空間相関および位相誤差が存在する条件下で、NOMAおよびOMAと比較して優れた性能を示す、閉形式の outage 確率式を導出している。

ABSTRACT

In this paper, we propose simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. The considered STAR-RIS utilizes the mode switching (MS) protocol to serve multiple NOMA users located on both sides of the RIS surface. Based on the MS protocol, each STAR-RIS element can operate in full transmission or reflection mode. Within this perspective, we propose a novel algorithm to partition the STAR-RIS surface among the available users. This algorithm aims to determine the proper number of transmitting/reflecting elements needs to be assigned to each user in order to maximize the system sum-rate while guaranteeing the quality-of-service requirements for individual users. For the proposed system, we derive closed-form analytical expressions for the outage probability (OP) and its corresponding asymptotic behavior under different user deployments. Finally, Monte Carlo simulations are performed in order to verify the correctness of the theoretical analysis. It is shown that the proposed system outperforms the classical NOMA and orthogonal multiple access systems in terms of OP and sum-rate.

研究の動機と目的

• 従来のRISの半空間カバレッジ制限を解消するため、全空間カバレッジを提供するSTAR-RISを支援するNOMAシステムを提案すること。
• STAR-RIS素子のスケーラブルな位相シフト設計を用いて、チャネル推定オーバーヘッドを低減すること。
• 個々のユーザーのQoS制約のもとで、システム合計スループットを最大化するために、各ユーザーに割り当てる送信および反射素子の数を共同最適化すること。
• 異なるユーザー配置下での漸近的挙動を分析するため、アウトージ確率の閉形式式を導出すること。
• 空間相関および位相誤差といった現実的な条件のもとで、理論的分析をモンテカルロシミュレーションにより検証すること。

提案手法

• 各素子が送信モードまたは反射モードのいずれかに専用化されるモードスイッチング（MS）プロトコルを提案する。
• チャネル利得とQoS要件に基づいてSTAR-RIS素子をユーザー間で最適に割り当てる新規アルゴリズムを導入し、推定オーバーヘッドを最小化する。
• 中心極限定理（CLT）を用いて、直列チャネル利得をガウス分布の確率変数としてモデル化し、アウトージ確率（OP）の閉形式式を導出する。
• 干渉を他のユーザーからのものも含めて考慮し、逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いたパワー領域NOMAにおけるユーザーの信号対干渉加法ノイズ比（SINR）をモデル化する。
• 非中心カイ二乗分布および中心カイ二乗分布を用いて、チャネル利得の二乗を特徴づけ、OP分析のためのSINRの累積分布関数（CDF）を導出する。
• 空間相関および位相誤差の下で理論的結果をモンテカルロシミュレーションにより検証し、古典的NOMAおよびOMAと性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャネル推定オーバーヘッドを低減したNOMAシステムにおいて、STAR-RIS素子の割り当てを最適化することで、合計スループットを最大化するとともに個々のユーザーのQoS要件を満たすにはどうすればよいか？
• RQ2 空間相関および位相誤差が存在する状況下でのSTAR-RIS-駆動NOMAシステムの解析的アウトージ確率は何か？
• RQ3 ユーザー配置や素子割り当て戦略が変化する際、システム性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ4 高SNRおよび多数のSTAR-RIS素子が存在する状況下でのアウトージ確率の漸近的挙動は何か？
• RQ5 現実の伝搬障害要因が存在する条件下で、提案手法は古典的NOMAおよびOMAと比較して、合計スループットおよびアウトージ性能の点でどのように優れているか？

主な発見

• 提案されたSTAR-RIS-NOMAシステムは、特に高い空間相関および位相誤差下で、古典的NOMAおよびOMAと比較して高いシステム合計スループットを達成する。
• 導出された閉形式のアウトージ確率式はモンテカルロシミュレーションにより検証され、理論的分析の正確性が確認された。
• 位相誤差および空間相関下でも、システムは頑健な性能を示し、高SNR領域では非ゼロの多様性ゲインに収束するアウトージ確率を示した。
• 提案された素子割り当てアルゴリズムは、チャネルが弱いユーザーに多くの素子を割り当てることで、ユーザーの公平性とスペクトル効率の両立に効果的に寄与した。
• 漸近的アウトージ解析により、システムはSTAR-RIS素子数に比例した多様性ゲインを達成することが判明し、信頼性の向上が示された。
• スケーラブルな位相シフト設計の導入により、チャネル推定オーバーヘッドが顕著に低減され、実時間での展開に向けた実用性が向上した。