[논문 리뷰] A Simple Multiple-Access Design for Reconfigurable Intelligent Surface-Aided Systems

Wei Jiang, Hans D. Schotten|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 RIS를 활용한 다중 사용자 시스템을 위한 저복잡도·고성능 다중접속 방식인 기회적 반사 기반 비직교 다중접속(OR-NOMA)을 제안한다. RIS 반사 최적화를 위해 채널 이득이 가장 높은 사용자를 선택하고, 두 번째 사용자와 비직교 전송을 통해 근사 공동 최적화 성능를 달성하면서도, 복잡도를 수 개 차수만큼 감소시켰다. 또한, 무작위 위상 변환을 사용하는 변형은 CSI 피드백 부담을 제거하고 기존의 기회적 빔포밍을 능가하는 성능을 보였다.

ABSTRACT

This paper focuses on the design of transmission methods and reflection optimization for a wireless system assisted by a single or multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs). The existing techniques are either too complex to implement in practical systems or too inefficient to achieve high performance. To overcome the shortcomings of the existing schemes, we propose a simple but efficient approach based on extit{opportunistic reflection} and extit{non-orthogonal transmission}. The key idea is opportunistically selecting the best user that can reap the maximal gain from the optimally reflected signals via RIS. That is to say, only the channel state information of the best user is used for RIS reflection optimization, which can in turn lower complexity substantially. In addition, the second user is selected to superpose its signal on that of the primary user, where the benefits of non-orthogonal transmission, i.e., high system capacity and improved user fairness, are obtained. Additionally, a simplified variant exploiting random phase shifts is proposed to avoid the high overhead of RIS channel estimation.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자·다중 RIS 환경에서 기존 RIS 보조 다중접속 방식의 높은 복잡도와 비효율성을 해결하기 위해.
• 가장 좋은 사용자만의 CSI를 활용하여 RIS 반사 최적화의 계산 부담을 줄이기 위해.
• 향상된 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 확보하기 위해 효율적인 비직교 다중접속을 구현하기 위해.
• 비용이 많이 들는 RIS 채널 추정이 필요 없는 실용적인 변형을 제안하기 위해.

제안 방법

• 기회적 사용자 선택: RIS 반사 최적화를 위해 효과적 채널 이득이 가장 높은 사용자를 선정한다.
• 선택된 사용자의 CSI만을 기반으로 RIS 반사 계수를 최적화하여 피드백 및 계산 오버헤드를 극도로 감소시킨다.
• 비직교 다중접속(NOMA) 기술을 적용: 두 번째 사용자가 주 사용자의 신호 위에 신호를 중첩하여 다중화 이득을 얻는다.
• 간소화된 변형인 OR-NOMA-RP는 RIS에서 무작위 위상 변환을 사용하여 CSI 추정을 완전히 회피한다.
• 수신단에서는 연속 간섭 제거(SIC) 기법을 적용하여 중첩된 두 신호를 디코딩한다.
• 실제 3GPP UMi 및 나이카가미-m fading 조건 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 시스템을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부분적인 CSI만을 활용함으로써 저복잡도 다중접속 방식이 RIS 보조 다중 사용자 시스템에서 근사 최적 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ2 기회적 사용자 선택과 NOMA의 조합이 직교 방식 대비 스펙트럼 효율성과 공정성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 OR-NOMA의 성능-복잡도 트레이드오프는 공동 반사 최적화(JRO) 및 기회적 빔포밍(OppBF) 대비 어떠한가?
• RQ4 RIS에서 무작위 위상 변환은 CSI 기반 최적화에 비해 성능 손실가 최소한으로 유지되는 실용적인 대안이 될 수 있는가?
• RQ5 상태변화 및 하드웨어 제약(위상 노이즈, 채널 노화 등) 하에서 OR-NOMA의 성능는 어떠한가?

주요 결과

• OR-NOMA는 이론적 최적인 공동 반사 최적화(JRO) 성능에 근접한 성능를 달성하면서도 계산 복잡도를 4개 차수만큼 감소시켰다.
• OR-NOMA의 평균 CPU 실행 시간은 채널 실현당 1.43 ms이며, JRO의 경우 23,900 ms로 실시간 응용에 비현실적임을 확인했다.
• CSI가 없는 조건에서 OR-NOMA-RP(무작위 위상 사용)는 OppBF보다 약 5 dB의 SNR 이득을 확보하여 채널 추정 오버헤드에 대한 강건성을 입증했다.
• 모든 다중 사용자 방식은 다중화 이득 덕분에 단일 사용자 전송보다 뛰어난 성능를 보였으며, 특히 OR-NOMA는 TDMA 및 OUS를 크게 앞섰다.
• 제안된 방식은 제한된 피드백 및 하드웨어 제약 조건 하에서도 높은 스펙트럼 효율성과 공정성을 유지한다.
• 3GPP 도시 마이크로(UMi) 및 나이카가미-m fading과 같은 현실적인 fading 및 path-loss 모델 하에서도 OR-NOMA의 성능는 강건함을 입증했다.