[논문 리뷰] Downlink Analysis for Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided NOMA Networks

Chao Zhang, Wenqiang Yi외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)를 활용한 비직교 다중접속(NOMA) 다운링크 네트워크에 대한 스토하스틱 기하학 기반 분석을 제안한다. RIS 반사 채널은 거리의 곱 모델을 사용하여 모델링하고, 포아송 군집 과정을 적용한다. 닫힌 형태의 커버리지 확률 식을 유도하며, RIS가 차단된 사용자에 대한 채널 조건을 향상시키고 동적 연속 간섭 제거(SIC) 순서를 가능하게 하여 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 크게 향상시켜, 전통적인 NOMA 및 OMA 시스템을 능가함을 보여준다.

ABSTRACT

By activating blocked users and altering successive interference cancellation (SIC) sequences, reconfigurable intelligent surfaces (RISs) become promising for enhancing non-orthogonal multiple access (NOMA) systems. This work investigates the downlink performance of RIS-aided NOMA networks via stochastic geometry. We first introduce the unique path loss model for RIS reflecting channels. Then, we evaluate the angle distributions based on a Poisson cluster process (PCP) framework, which theoretically demonstrates that the angles of incidence and reflection are uniformly distributed. Lastly, we derive closed-form expressions for coverage probabilities of the paired NOMA users. Our results show that 1) RIS-aided NOMA networks perform better than the traditional NOMA networks; 2) the SIC order in NOMA systems can be altered since RISs are able to change the channel gains of NOMA users.

연구 동기 및 목표

• 실제 다셀 배치를 반영하기 위해 스토하스틱 기하학을 사용하여 RIS 보조 NOMA 네트워크의 다운링크 성능을 분석하는 것.
• 장거리 외부 환경에 적합한 RIS 반사 링크를 위한 경로 손실 모델을 도출하는 것.
• 기지국, RIS, 사용자 간의 각도 분포를 공간적으로 분석하여 균일성 가정을 검증하는 것.
• RIS 보조 하에 쌍으로 구성된 NOMA 사용자의 커버리지 확률에 대한 닫힌 형태 식을 유도하는 것.
• 커버리지 및 SIC 순서 유연성 측면에서 RIS 보조 NOMA가 기존 NOMA 및 RIS 보조 OMA에 비해 성능 향상을 얼마나 제공하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 사용자 및 기지국의 공간 집합을 반영하기 위해 포아송 군집 과정(PCP)을 사용하여 네트워크를 모델링한다. 이는 실제 배치 패턴을 반영한다.
• 장거리 외부 통신에 대해 검증된, 입사 및 반사 거리의 곱에 기반한 RIS 반사 링크를 위한 경로 손실 모델을 제안한다.
• BS-RIS-사용자 링크 간의 각도 분포를 분석하고, PCP 프레임워크를 사용하여 [0, π] 범위에서 균일 분포임을 증명한다.
• 라플라스 변환 및 모멘트 생성 함수 기법을 통해 일반 사용자 및 연결된 NOMA 사용자의 커버리지 확률에 대한 닫힌 형태 식을 유도한다.
• 간섭 제한 시나리오의 분석을 가능하게 하기 위해 정규화된 감마 변수에 대한 상한과 근사치를 활용한다.
• 다양한 신호 대 잡음비(SNR), 기지국 밀도 및 RIS 크기 조건에서 RIS 보조 NOMA, 기존 NOMA, RIS 보조 OMA 간의 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 외부 환경에서 RIS 반사 링크의 경로 손실은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 군집화된 네트워크에서 기지국, RIS, 사용자 간에 형성된 각도의 통계적 분포는 무엇인가?
• RQ3 RIS는 다셀 환경의 NOMA 사용자 커버리지 확률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 RIS는 NOMA 시스템에서 연속 간섭 제거(SIC) 순서를 동적으로 변경하여 성능 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ5 RIS 보조 NOMA는 기존 NOMA 및 RIS 보조 OMA에 비해 어떤 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• RIS 반사 링크의 경로 손실 모델은 입사 거리와 반사 거리의 곱에 비례하며, 장거리 외부 배치에 적합하다.
• RIS 보조 NOMA 네트워크에서 입사 및 반사 각도는 [0, π] 범위에서 균일하게 분포하며, 분석에서 등방성 산란 가정의 타당성을 입증한다.
• RIS 보조 NOMA는 개선된 채널 이득과 감소한 아웃오지로 인해, 특히 일반(멀리 떨어진) 사용자에게 기존 NOMA보다 훨씬 높은 커버리지 확률을 달성한다.
• RIS를 통해 채널 이득을 조절함으로써 NOMA의 SIC 순서를 재구성할 수 있으며, 이는 주 사용자가 불필요한 SIC 절차를 피하고 아웃오지 위험을 감소시킬 수 있음을 의미한다.
• RIS 길이를 늘일수록 위상 제어 및 신호 반사 이득 향상으로 인해 커버리지 성능이 향상되며, 3m RIS가 0.75m 및 1.5m 버전보다 뛰어나다.
• 더 높은 경로 손실 지수(예: α = 4)는 커버리지 성능을 악화시키며, 경로 손실 지수와 시스템 성능 간에 부정적 상관관계가 있음을 보여준다.