[논문 리뷰] Coverage Characterization of STAR-RIS Networks: NOMA and OMA

Chenyu Wu, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 20.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 NOMA 및 OMA 시스템에서 합산 커버리지 범위를 최대화하기 위해 STAR-RIS 네트워크에서 자원 할당과 전송/반사 계수를 공동 최적화하는 방법을 제안한다. 비볼록 제약 조건을 볼록 형태로 변환하고 일차원 검색을 활용함으로써, 기존 RIS보다 거의 두 배에 가까운 커버리지 향상을 달성하였으며, 다중화 이득과 강화된 채널 이질성 덕분에 NOMA가 더 높은 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

The novel concept of simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) is investigated, where incident signals can be transmitted and reflected to users located at different sides of the surface. In particular, the fundamental coverage range of STAR-RIS aided two-user communication networks is studied. A sum coverage range maximization problem is formulated for both non-orthogonal multiple access (NOMA) and orthogonal multiple access (OMA), where the resource allocation at the access point and the transmission and reflection coefficients at the STAR-RIS are jointly optimized to satisfy the communication requirements of users. For NOMA, we transform the non-convex decoding order constraint into a linear constraint and the resulting problem is convex, which can be optimally solved. For OMA, we first show that the optimization problem for given time/frequency resource allocation is convex. Then, we employ the one dimensional search-based algorithm to obtain the optimal solution. Numerical results reveal that the coverage can be significantly extended by the STAR-RIS compared with conventional RISs.

연구 동기 및 목표

• STAR-RIS를 활용한 이중 사용자 네트워크의 기본 커버리지 범위를 규명하는 것.
• 기존 RIS가 가진 반공간 커버리지 한계를 동시에 전송 및 반사 기능을 통해 전공간 커버리지로 해결하는 것.
• NOMA 및 OMA 모두에 대해 AP의 자원 할당과 STAR-RIS의 전송/반사 계수를 공동 최적화하는 것.
• 개별 사용자 QoS 요구사항을 충족시키면서도 합산 커버리지 범위를 최대화하는 것.
• STAR-RIS가 기존 RIS보다 성능 향상을 얼마나 이루는지, 그리고 NOMA가 OMA보다 커버리지 연장에 있어 우월한 성능을 보이는지 평가하는 것.

제안 방법

• NOMA 및 OMA에 대해 합산 커버리지 범위 최대화 문제를 수립하고, AP의 자원 할당과 STAR-RIS 계수를 공동 최적화한다.
• NOMA에서의 비볼록 디코딩 순서 제약 조건을 선형 제약 조건으로 변환하여 문제를 볼록 형태로 만들고, CVX와 같은 볼록 최적화 도구를 통해 해를 구한다.
• OMA의 경우 시간/주파수 자원 할당을 고정하고, 전력 분할 비율에 대한 일차원 검색을 통해 볼록 부분문제를 해결한다.
• AP-에서-RIS 및 RIS-에서-사용자 링크의 채널을 선로 간섭 및 비선로 간섭 성분을 포함한 Rician fading으로 모델링한다.
• AP를 원점으로, STAR-RIS를 (50,0) m에 위치시키며, M=100개의 요소를 사용하고, 현실적인 path loss 및 SNR 파rameter를 설정한다.
• 동일한 조건에서 기존 RIS(반사 전용 및 전송 전용)와의 비교를 위해 수치 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STAR-RIS는 이중 사용자 다운링크 네트워크에서 기존 RIS에 비해 커버리지 범위를 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 STAR-RIS와 조합했을 때 NOMA는 OMA에 비해 커버리지 범위 연장에 있어 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 자원 할당과 STAR-RIS 계수의 공동 최적화가 합산 커버리지 범위에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 채널 이질성이 STAR-RIS와 함께 NOMA 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 RIS 요소 수가 NOMA 및 OMA 시스템의 구현 가능한 커버리지 범위에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• STAR-RIS는 기존 RIS 대비 거의 두 배에 가까운 커버리지 범위를 확보하여, NOMA 및 OMA 시스템 모두에서 뚜렷한 STAR 이득을 기록한다.
• NOMA의 경우, 커버리지 할당이 비대칭일 때(즉, μk가 0 또는 1에 가까울 때) 다중화 이득이 강화되어 OMA 대비 성능 향상이 가장 두드러진다.
• NOMA와 STAR-RIS의 조합은 상호 보완적인 성과를 낳으며, RIS 요소 수(M)가 증가할수록 NOMA의 성능 향상이 더욱 커진다.
• M이 증가함에 따라, 기존 RIS 대비 STAR 이득이 더욱 두드러지며, 특히 NOMA 시스템에서 두드러진다.
• QoS 요구사항이 5 bps/Hz일 경우, STAR-RIS를 사용한 NOMA의 커버리지 범위 쌍(Dt, Dr)은 기존 RIS 대비 거의 두 배 수준을 초과한다.
• T-사용자 QoS 요구사항(γt)이 증가할수록, STAR-RIS를 사용한 NOMA의 총 커버리지 범위(D0)는 OMA 대비 뚜렷하게 더 크다.