[논문 리뷰] A Joint Design for STAR-RIS enhanced NOMA-CoMP Networks: A Simultaneous-Signal-Enhancement-and-Cancellation-based (SSECB) Design

Tianwei Hou, Jun Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 STAR-RIS를 활용한 NOMA-CoMP 네트워크에서 동시 신호 강화 및 간섭 제거 기반(SSECB) 설계를 제안하며, 복소 간섭을 억제하면서도 원하는 신호를 강화하기 위해 반사 및 전송 beamforming을 공동 최적화한다. 시뮬레이션 결과, 충분한 RIS 요소를 갖춘 경우 간섭이 완벽하게 제거되고 기존의 SEB 및 SCB 설계 대비 스펙트럼 효율성이 크게 향상됨.

ABSTRACT

In this correspondence, a novel simultaneous transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RISs) design is proposed in a non-orthogonal multiple access (NOMA) enhanced coordinated multi-point transmission (CoMP) network. Based on the insights of signal-enhancement-based (SEB) and signal-cancellation-based (SCB) designs, we propose a novel simultaneous-signal-enhancement-and-cancellation-based (SSECB) design, where the inter-cell interferences and desired signals can be simultaneously eliminated and boosted. Our simulation results demonstrate that: i) the inter-cell interference can be perfectly eliminated, and the desired signals can be enhanced simultaneously with the aid of a large number of RIS elements; ii) the proposed SSECB design is capable of outperforming the conventional SEB and SCB designs.

연구 동기 및 목표

• 기존의 SEB 및 SCB RIS 설계가 NOMA-CoMP 네트워크에서 성능에 한계를 보이는 문제를 해결하기 위해.
• STAR-RIS를 활용해 원하는 신호 강화와 간섭 제거를 동시에 구현함으로써 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 강한 LOS 조건에서 효과적인 간섭 제거를 위해 필요한 최소 RIS 요소 수를 유도하기 위해.
• 기존의 SEB 및 SCB 기법들과의 성능 비교를 통해 제안된 SSECB 설계의 성능을 평가하기 위해.
• 미래의 6G 네트워크에서 STAR-RIS를 위한 실용적인 수동 beamforming 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• STAR-RIS의 전송 및 반사 모드를 동시에 활용하여 원하는 신호를 강화하고 간섭을 동시에 제거하는 새로운 SSECB beamforming 설계를 제안함.
• 경로 손실 및 채널 이득 파rameter를 기반으로 강한 LOS 조건에서 완벽한 간섭 제거를 위해 필요한 최소 RIS 요소 수를 유도함.
• 반사 및 전송 계수를 제어하기 위해 반사 및 전송 beamforming 요소의 공동 최적화 프레임워크를 사용하여 간섭 제거 및 신호 집중을 구현함.
• 유저 다중화를 위해 전력 도메인 NOMA를 사용하며, BS 및 유저의 안테나 수를 단일로 설정하여 활성 프리코딩의 영향을 배제함.
• 실제 경로 손실 및 fading 파rameter(예: K-팩터 및 경로 손실 지수)를 고려한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 성능 분석을 수행함.
• 다양한 RIS 요소 수와 전송 전력 수준에서 설계를 검증하여 속도 성능 및 간섭 억제 성능을 평가함.

Figure 1: System model of the STAR-RIS enhanced NOMA-CoMP networks.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STAR-RIS를 활용한 NOMA-CoMP 네트워크에서 완벽한 간섭 제거를 달성하기 위해 필요한 최소 RIS 요소 수는 얼마인가?
• RQ2 제안된 SSECB 설계는 기존의 SEB 및 SCB beamforming 대비 가용 속도 측면에서 어떻게 우월한가?
• RQ3 다양한 링크의 경로 손실 지수는 효과적인 간섭 제거를 위해 필요한 RIS 요소 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 RIS 요소 수가 제안된 설계에서 가용 속도의 고신호대역비(SNR) 기울기에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 제안된 설계는 저신호대역비 및 고신호대역비 환경 모두에서 원하는 신호를 강화하고 간섭을 억제할 수 있는가?

주요 결과

• 간섭 링크의 경로 손실 지수가 높을수록 완벽한 간섭 제거를 위해 필요한 최소 RIS 요소 수가 증가함.
• L = 27개의 RIS 요소를 사용할 경우 고신호대역비 기울기가 1에 도달하여 간섭 완벽 제거 및 속도 제한이 없음을 나타냄.
• RIS 요소 수를 2배로 늘여 L = 54로 증가시킬 경우 가용 속도 성능이 더욱 향상되어 더 큰 아파처 이득의 이점이 확인됨.
• 모든 SNR 영역에서 제안된 SSECB 설계가 SEB 및 SCB 설계보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하여 뛰어난 성능을 입증함.
• 작은 규모의 fading 이득의 랜덤성 덕분에 RIS 요소 수가 충분히 많아지면 실질적으로 완벽한 간섭 제거가 가능함.
• 전송 전력이 증가할수록 제안된 SSECB 설계와 no-RIS 기준선 간의 성능 격차가 커지며, 이는 설계의 강건성 및 확장성의 우수성을 강조함.

Figure 2: Minimal required number of RIS elements for the proposed SSECB design in the STAR-RIS enhanced NOMA-CoMP networks, where the small-scale channel gains are normalized to all one, and $\alpha_{3,c}=\alpha_{3,e}=\alpha_{3}$ for simplicity.