[論文レビュー] Uplink NOMA For STAR-RIS Networks

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 7被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知能表面（STAR-RIS）を同時に送信および反射可能に拡張することで、総消費電力を最小化するため、ユーザーの送信電力、基地局の受信 beamforming、STAR-RISの送信・反射 beamforming、および時間スイッチング割り当てを共同最適化する、新規な上行リンク非直交多重アクセス（NOMA）システムを提案する。ペナルティに基づく逐次最適化（P-AltOp）アルゴリズムが開発され、マルチユーザー上行リンク環境において顕著な電力削減と全空間カバレッジを達成する。

ABSTRACT

A simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) enhanced uplink non-orthogonal multiple access (NOMA) communication system is proposed. A total power consumption minimization problem is formulated by jointly optimizing the transmit-power of users, receive-beamforming vectors at the base station (BS), STAR-beamforming vectors at the STAR-RIS and time slots. Here, the STAR-beamforming introduced by STAR-RIS consists of transmission- and reflection-beamforming. To solve the formulated non-convex problem, an efficient penalty-based alternating optimization (P-AltOp) algorithm is proposed. Simulation results validate the effectiveness of the proposed scheme and reveal the effect of various system parameters on the total power consumption.

研究の動機と目的

• 従来の反射のみの RIS が有するカバレッジ制限を解消するため、全空間 360° 通信を実現する STAR-RIS を導入する。
• 上行リンク NOMA における STAR-RIS を用いた総消費電力最小化を目的とした共同最適化問題を定式化する。
• 非凸性を克服するため、新規なペナルティベースの逐次最適化（P-AltOp）アルゴリズムを提案する。
• 上行リンク NOMA システムにおける同時送信・反射を可能にし、スペクトル効率とユーザーの公平性を向上させる。
• 多アンテナ上行リンクシステムにおける受信 beamforming と STAR-beamforming の統合的設計フレームワークを提供する。

提案手法

• ユーザー送信電力、基地局受信 beamforming、STAR-RIS 送信・反射 beamforming、および時間スイッチング割り当てを含む非凸な総消費電力最小化問題を定式化する。
• 非凸制約を扱いながら、ユーザー電力、beamforming ベクトル、時間割り当てを逐次最適化するペナルティベースの逐次最適化（P-AltOp）アルゴリズムを導入する。
• 共同最適化を部分問題に分解し、ユーザー電力、受信 beamforming、STAR-beamforming をペナルティ項を用いた制約緩和を伴いながら交互に最適化する。
• 時間スイッチング（TS）プロトコルを用い、反射モードと送信モードを切り替える。時間割り当て $ \tau $ を最適化変数として扱う。
• 反射（R）および送信（T）ユーザーの信号モデルを定式化し、NOMA 復元のため基地局で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用する。
• SINRに基づく電力割り当てと QoS 制約を適用し、NOMA 復元順序下で全ユーザーの最小レート要件を満たす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STAR-RIS をどのように効果的に上行リンク NOMA システムに展開することで、全空間カバレッジとスペクトル効率の向上を達成できるか？
• RQ2 多アンテナ基地局を備えた STAR-RIS 装備上行リンク NOMA において、総システム消費電力を最小化する共同最適化フレームワークは何か？
• RQ3 反射モードと送信モード間の時間スイッチング比が、システムの電力効率とユーザー QoS に与える影響は何か？
• RQ4 電力制約とサービス品質（QoS）制約下で、STAR-RIS の送信ビームと反射ビームの最適ビームフォーミング設計は何か？
• RQ5 ペナルティベースの逐次最適化アルゴリズムは、本新規なシステムモデルにおける非凸共同最適化問題を効果的に解けるか？

主な発見

• 提案された P-AltOp アルゴリズムは、収束が早く、従来手法と比較して顕著な総消費電力削減を達成する。
• 各ユーザーの最適送信電力が、個々の QoS 制約を満たすために必要な最小電力に等しいことが示され、最適性が裏付けられる。
• 時間スイッチング比 $ \tau $ の関数として、最小合計電力 $ \tilde{P}_{\text{sum}}^{q,\text{min}}(\tau) $ が導出され、QoS 要件を満たすために $ \tau $ の下限が存在する。
• すべてのユーザーがレート目標を達成するためには、$ \tau > \tau^{\text{min}} = \frac{R_{q,k}^{\text{min}}}{\tilde{R}_{q,k}} $ を満たす必要がある。
• シミュレーション結果により、提案手法が全空間カバレッジを実現し、共同ビームフォーミングと時間スイッチングを活用して総消費電力を削減することが検証された。
• システム性能は時間スイッチング比に敏感であり、$ \tau $ を反射モードと送信モードのバランスを最適に調整することで、最良の性能が得られる。