[論文レビュー] STAR-RISs: A Correlated T&R Phase-Shift Model and Practical Phase-Shift Configuration Strategies

Jiaqi Xu, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、送信・反射信号の独立制御を制限する電磁気的制約を考慮した、受動的で損失のないSTAR-RISの相関した送信・反射（T&R）位相シフトモデルを提案する。3つの実用的位相シフト設定（PSC）戦略—PS-PSC、DP-PSC、TR-PSC—を導入し、DP-PSC戦略が両側のユーザーに対して完全な多様性次数を達成することを示し、独立位相シフトモデルの性能上限に匹敵するが、4 dBの電力損失を伴う。

ABSTRACT

A correlated transmission and reflection (T&R) phase-shift model is proposed for passive lossless simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs). A STAR-RIS-aided two-user downlink communication system is investigated for both orthogonal multiple access (OMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA). To evaluate the impact of the correlated T&R phase-shift model on the communication performance, three phase-shift configuration strategies are developed, namely the primary-secondary phase-shift configuration (PS-PSC), the diversity preserving phase-shift configuration (DP-PSC), and the T/R-group phase-shift configuration (TR-PSC) strategies. Furthermore, we derive the outage probabilities for the three proposed phase-shift configuration strategies as well as for those of the random phase-shift configuration and the independent phase-shift model, which constitute performance lower and upper bounds, respectively. Then, the diversity order of each strategy is investigated based on the obtained analytical results. It is shown that the proposed DP-PSC strategy achieves full diversity order simultaneously for users located on both sides of the STAR-RIS. Moreover, power scaling laws are derived for the three proposed strategies and for the random phase-shift configuration. Numerical simulations reveal a performance gain if the users on both sides of the STAR-RIS are served by NOMA instead of OMA. Moreover, it is shown that the proposed DP-PSC strategy yields the same diversity order as achieved by STAR-RISs under the independent phase-shift model and a comparable power scaling law with only 4 dB reduction in received power.

研究の動機と目的

• 受動的で損失のないSTAR-RISの現実的ハードウェアモデルが、送信と反射の間の電磁的結合を考慮していないという問題に対処すること。
• 受動的STAR-RIS素子の物理的制約を尊重する実用的位相シフト設定（PSC）戦略の開発。
• OMAおよびNOMAにおける割り当て確率、多様性次数、電力スケーリング則という観点から、これらの戦略の性能を評価すること。
• ランダムおよび独立位相シフトモデルをそれぞれ下限および上限として、性能の境界を確立すること。

提案手法

• 電磁気理論に基づく相関T&R位相シフトモデルを提案し、受動的で損失のない要素のエネルギー保存則および境界条件を満たす。
• 3つのPSC戦略を構築：PS-PSC（主従属）、DP-PSC（多様性維持）、TR-PSC（T/Rグループ）—物理的制約下での位相シフト管理を目的とする。
• ラプラス変換および原点近傍での確率密度関数のテイラー展開を用いて、OMAおよびNOMAの漸近的割り当て確率の式を導出する。
• 高SNRにおける割り当て確率の漸近的挙動を分析することで、多様性次数を評価する。
• DP-PSCではM²スケーリング、PS-PSCでもM²スケーリング、ランダムPSCではMスケーリングを示す電力スケーリング則を導出する。
• シミュレーションを用いて解析結果を検証し、ビームパターン解析および戦略間の性能比較を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関T&R位相シフトモデルは、実用的ハードウェア制約下でのSTAR-RIS支援システムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 実用的PSC戦略は、STAR-RIS両側のユーザーに対して完全な多様性次数を達成できるか？
• RQ3 独立位相シフトモデルおよびランダム設定と比較して、提案されたPSC戦略の電力スケーリング則は何か？
• RQ4 直接リンクが存在する場合、多様性次数および割り当て確率性能にどのような影響を与えるか？
• RQ5 提案モデル下でのNOMAはOMAに比べてどの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• DP-PSC戦略は、直接リンクが十分に強い（η ≥ 0.5）限り、STAR-RIS両側のユーザーに対して完全な多様性次数（M+1）を達成する。
• DP-PSC戦略は独立位相シフトモデルと同等の多様性次数を達成し、多様性利得において最適性を確認する。
• DP-PSC戦略はM²の電力スケーリング則を示し、独立位相シフトモデルの性能上限と一致する。
• DP-PSC戦略は、上限に比べてわずか4 dBの電力損失にとどまり、10 log₁₀(4/π²) ≈ -3.9 dBの損失を示す。
• 数値結果から、OMAに比べてNOMAを用いることで性能向上が確認され、特にDP-PSC戦略下で顕著である。
• ランダムPSC戦略はMスケーリングにとどまり、Mを15から30に倍増した場合、DP-PSCの10 dBに比べて5 dBの電力利得が得られる。