[論文レビュー] Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surface Assisted NOMA Networks

Xinwei Yue, Jin Xie+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 58被引用数 162

ひとこと要約

本稿は、Rician fadingチャネル上での同時送信および反射再構成可能知能表面（STAR-RIS）を支援する非直交多重アクセス（NOMA）ネットワークを提案する。STAR-RISは信号を近距離ユーザーおよび遠距離ユーザーの両方に配信するために分割する。不完全および完全逐次干渉キャンセレーション（ipSIC/pSIC）下での近似アウトージ確率およびエルゴディックレートの式を導出しており、pSIC下で近距離ユーザーは1の分岐次数を達成し、高SNRにおけるエルゴディックレートの傾きも1となる。一方、遠距離ユーザーは傾きが0であり、アウトージ性能およびエルゴディックレート性能の両面でSTAR-RIS-OMAおよび従来の協調システムを上回る。

ABSTRACT

Simultaneously transmitting/refracting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) has been introduced to achieve full coverage area. This paper investigate the performance of STAR-RIS assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) networks over Rician fading channels, where the incidence signals sent by base station are reflected and transmitted to the nearby user and distant user, respectively. To evaluate the performance of STAR-RIS-NOMA networks, we derive new approximate expressions of outage probability and ergodic rate for a pair of users, in which the imperfect successive interference cancellation (ipSIC) and perfect SIC (pSIC) schemes are taken into consideration. Based on the asymptotic expressions, the diversity orders of the nearby user with ipSIC/pSIC and distant user are achieved carefully. The high signal-to-noise ratio slopes of ergodic rates for nearby user with pSIC and distant user are equal to $one$ and $zero$, respectively. In addition, the system throughput of STAR-RIS-NOMA is discussed in delay-limited and delay-tolerant modes. Simulation results are provided to verify the accuracy of the theoretical analyses and demonstrate that: 1) The outage probability of STAR-RIS-NOMA outperforms that of STAR-RIS assisted orthogonal multiple access (OMA) and conventional cooperative communication systems; 2) With the increasing of reflecting elements $K$ and Rician factor $\kappa $, the STAR-RIS-NOMA networks are capable of attaining the enhanced performance; and 3) The ergodic rates of STAR-RIS-NOMA are superior to that of STAR-RIS-OMA.

研究の動機と目的

• 全空間カバレッジを実現するSTAR-RIS-NOMAネットワークのRician fadingチャネルにおける性能を調査すること。
• 不完全および完全逐次干渉キャンセレーション（ipSIC/pSIC）下でのアウトージ確率およびエルゴディックレートの近似式を導出すること。
• 近距離および遠距離ユーザーの分岐次数および高SNRにおけるエルゴディックレート傾きを分析すること。
• 遅延制限モードおよび遅延許容モードにおけるシステムスループットを比較すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて理論的分析を検証し、STAR-RIS-OMAおよび従来の協調システムに対する優位性を示すこと。

提案手法

• RISが近距離ユーザーに信号を反射すると同時に遠距離ユーザーに信号を送信するSTAR-RIS-NOMAシステムを提案する。
• 信号の位相整合のためのコherent位相シフトを用い、両リンクの級連Rician fadingチャネルをモデル化する。
• ラゲール多項式の級数展開およびガウス＝チェビシェフ求積法を用いて、数値的統合のためのアウトージ確率の近似式を導出する。
• 高SNRにおける漸近的式を導出するためにラプラス変換および逆ラプラス変換技術を適用する。
• ガウス＝ラゲール求積法を用いてエルゴディックレートの積分を近似し、数値的評価を実施する。
• 反射素子の数およびRician係数のさまざまな設定下で、モンテカルロシミュレーションを用いて理論的結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ipSICおよびpSIC下で、STAR-RIS-NOMAのアウトージ性能はSTAR-RIS-OMAおよび従来の協調システムと比較してどのように異なるか？
• RQ2 ipSICおよびpSIC下でのSTAR-RIS-NOMAにおける近距離および遠距離ユーザーの分岐次数は何か？
• RQ3 近距離および遠距離ユーザーのSTAR-RIS-NOMAにおける高SNRにおけるエルゴディックレート傾きは何か？
• RQ4 反射素子数KおよびRician係数κの増加がシステム性能に与える影響は何か？
• RQ5 遅延制限モードおよび遅延許容モードにおけるシステムスループットの性能はいかがなっているか？

主な発見

• pSIC下で近距離ユーザーは分岐次数1を達成し、完全な分岐利得を示す。一方、遠距離ユーザーは分岐次数0を示す。
• pSIC下で近距離ユーザーの高SNRにおけるエルゴディックレート傾きは1であり、最適なスペクトル効率スケーリングを示す。遠距離ユーザーは傾きが0である。
• 全SNR領域において、STAR-RIS-NOMAのアウトージ確率はSTAR-RIS-OMAおよび従来の協調システムを下回る。
• 反射素子数KおよびRician係数κを増加させることで、STAR-RIS-NOMAのアウトージ性能およびエルゴディックレートが向上する。
• 特に高SNRおよび高移動度環境下では、STAR-RIS-NOMAのエルゴディックレートはSTAR-RIS-OMAを上回る。
• 数値的結果により、アウトージ確率およびエルゴディックレートの導出された近似式の正確性が確認された。