[논문 리뷰] Joint Design for Simultaneously Transmitting And Reflecting (STAR) RIS Assisted NOMA Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 38인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 합계 속도를 최대화하기 위해 복원 순서, 전력 할당, 능동 beamforming 및 전송/반사 beamforming을 공동 최적화하는 새로운 STAR-RIS-NOMA 시스템을 제안한다. 비볼록 문제를 해결하기 위해 이중 레이어 반복 알고리즘을 개발하여 기존의 RIS-NOMA 및 RIS-OMA 시스템에 비해 특히 전방향 커버리지 시나리오에서 뛰어난 스펙트럼 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

Different from traditional reflection-only reconfigurable intelligent surfaces (RISs), simultaneously transmitting and reflecting RISs (STAR-RISs) represent a novel technology, which extends the half-space coverage to full-space coverage by simultaneously transmitting and reflecting incident signals. STAR-RISs provide new degrees-of-freedom (DoF) for manipulating signal propagation. Motivated by the above, a novel STAR-RIS assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) (STAR-RIS-NOMA) system is proposed in this paper. Our objective is to maximize the achievable sum rate by jointly optimizing the decoding order, power allocation coefficients, active beamforming, and transmission and reflection beamforming. However, the formulated problem is non-convex with intricately coupled variables. To tackle this challenge, a suboptimal two-layer iterative algorithm is proposed. Specifically, in the inner-layer iteration, for a given decoding order, the power allocation coefficients, active beamforming, transmission and reflection beamforming are optimized alternatingly. For the outer-layer iteration, the decoding order of NOMA users in each cluster is updated with the solutions obtained from the inner-layer iteration. Moreover, an efficient decoding order determination scheme is proposed based on the equivalent-combined channel gains. Simulation results are provided to demonstrate that the proposed STAR-RIS-NOMA system, aided by our proposed algorithm, outperforms conventional RIS-NOMA and RIS assisted orthogonal multiple access (RIS-OMA) systems.

연구 동기 및 목표

• 기존 RIS의 반공간 커버리지 한계를 해결하기 위해 전방향 신호 조작이 가능한 STAR-RIS-NOMA 시스템을 제안함.
• 복원 순서, 전력 할당, 능동 beamforming 및 전송/반사 beamforming의 공동 최적화를 통해 시스템의 합계 속도를 최대화함.
• 서로 연관된 변수들이 복합적으로 연결된 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 부분 최적의 이중 레이어 반복 알고리즘을 제안함.
• STAR-RIS-NOMA가 기존의 RIS-NOMA 및 RIS-OMA 시스템에 비해 스펙트럼 효율성과 공정성 측면에서 뛰어나다는 것을 입증함.

제안 방법

• 내부 레이어에서 고정된 복원 순서에 대해 전력 할당, 능동 beamforming 및 전송/반사 beamforming의 최적화를 번갈아가며 수행하는 이중 레이어 반복 알고리즘을 제안함.
• 등가 복합 채널 이득 기반의 복원 순서 결정 기법을 도입하여 수렴성과 성능을 향상시킴.
• 내부 레이어의 볼록 하위문제를 해결하기 위해 라그랑주 이중성과 KKT 조건을 적용하여 전력 및 QoS 제약 조건 하에 최적의 beamforming을 보장함.
• 질량-일차 제약 조건을 도입하고 준정형 프로그래밍 완화를 통해 비볼록 beamforming 최적화를 처리하며, 고유분해를 통한 질량 복원을 실시함.
• 최소 QoS 제약 조건 하에서 최적의 전력 할당에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여 채널 이득이 낮은 사용자에게 최소 전력을 할당하고, 나머지 전력을 가장 강한 사용자에게 할당함.
• 라그랑주 승수를 사용한 이중 문제 공식화를 통해 beamforming 최적화를 해결하며, 이중성 갭이 0이 되어 최적 해로의 수렴을 보장함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STAR-RIS는 어떻게 NOMA 시스템에 효과적으로 통합되어 스펙트럼 효율성과 커버리지 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 서로 연결된 변수들이 존재하는 STAR-RIS-NOMA 시스템에서 합계 속도를 최대화하는 공동 최적화 프레임워크는 무엇인가?
• RQ3 등가 채널 이득 기반의 제안된 복원 순서 결정 기법은 시스템 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 STAR-RIS-NOMA는 기존의 RIS-NOMA 및 RIS-OMA 시스템에 비해 어떤 성능 향상을 달성하는가?
• RQ5 비볼록 제약 조건 하에서 이중 레이어 반복 알고리즘이 얼마나 근사 최적 해에 수렴하는가?

주요 결과

• 제안된 STAR-RIS-NOMA 시스템은 전방향 신호 조작 덕분에 기존의 RIS-NOMA 및 RIS-OMA 시스템보다 더 높은 합계 속도를 달성한다.
• 이중 레이어 반복 알고리즘은 효율적으로 수렴하며 비볼록 공동 최적화 문제에 대해 근사 최적 해를 제공한다.
• 최적의 전력 할당은 등가 채널 이득이 낮은 사용자에게 최소 전력을 할당하고, 나머지 전력을 가장 강한 사용자에게 할당하여 스펙트럼 효율성을 극대화한다.
• 등가 복합 채널 이득 기반의 복원 순서는 사용자 순서를 효과적인 채널 품질과 일치시켜 시스템 성능을 크게 향상시킨다.
• 라그랑주 이중 분해를 통한 beamforming 최적화는 이중성 갭이 0이 되어 최적 해로의 수렴을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과는 직접 링크가 열악한 상황에서 STAR-RIS-NOMA가 벤치마크를 능가하는 합계 속도와 공정성을 확보함을 확인한다.