[논문 리뷰] MIMO-NOMA Networks Relying on Reconfigurable Intelligent Surface: A Signal Cancellation Based Design

Tianwei Hou, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 04.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 44인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)를 활용한 MIMO-NOMA 네트워크에서 신호 취소 기반(passive beamforming design)을 제안하며, RIS를 활용해 클러스터 간 간섭을 제거함으로써 간섭 없는 사용자 쌍화를 가능하게 한다. 주요 기여는 외부 간섭 확률, 에르고딕 비트 전송률, 에너지 효율성의 폐쇄형 분석으로, 충분한 수의 RIS 요소가 있을 경우 클러스터 간 간섭을 제거할 수 있음을 보여주며, 이는 이상 반사 상황에서 LOS 링크가 필요하지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) technique stands as a promising signal enhancement or signal cancellation technique for next generation networks. We design a novel passive beamforming weight at RISs in a multiple-input multiple-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) network for simultaneously serving paired users, where a signal cancellation based (SCB) design is employed. In order to implement the proposed SCB design, we first evaluate the minimal required number of RISs in both the diffuse scattering and anomalous reflector scenarios. Then, new channel statistics are derived for characterizing the effective channel gains. In order to evaluate the network's performance, we derive the closed-form expressions both for the outage probability (OP) and for the ergodic rate (ER). The diversity orders as well as the high-signal-to-noise (SNR) slopes are derived for engineering insights. The network's performance of a finite resolution design has been evaluated. Our analytical results demonstrate that: i) the inter-cluster interference can be eliminated with the aid of large number of RIS elements; ii) the line-of-sight of the BS-RIS and RIS-user links are required for the diffuse scattering scenario, whereas the LoS links are not compulsory for the anomalous reflector scenario.

연구 동기 및 목표

• 동일한 자원 블록을 공유하는 다수의 사용자가 존재하는 MIMO-NOMA 네트워크에서 클러스터 간 간섭 문제를 해결한다.
• 수신 안테나 수가 송신 안테나 수보다 많아야 하는 기존 ZF 및 SA 기반 beamforming 설계의 한계를 극복한다.
• RIS에서 신호 증폭이 아닌 신호 취소를 가능하게 하는 새로운 수동 beamforming 전략을 개발하여 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시킨다.
• 외부 간섭 확률, 에르고딕 비트 전송률, 다양성 순서, 에너지 효율성 측면에서 제안된 SCB 설계의 성능을 분석한다.
• RIS 요소의 최소 수와 RIS 배치(LOS 대 비-LOS)가 시스템 성능에 미치는 영향을 규명한다.

제안 방법

• RIS에서 클러스터 간 간섭을 제거하기 위해 신호 취소 기반(SCB) 수동 beamforming 설계를 제안한다.
• RIS를 확산 산란체 또는 이방성 반사체로 모델링하여 효과적 채널 이득에 대한 새로운 채널 통계를 유도한다.
• 하향 불완전 감마 함수 및 지수 적분 함수를 사용하여 외부 간섭 확률(OP)과 에르고딕 비트 전송률(ER)에 대한 폐쇄형 표현식을 수립한다.
• 다양성 순서와 고신호대역비(SNR) 기울기를 분석하여 시스템 성능 스케일링에 대한 엔지니어링 통찰을 제공한다.
• 유한 해상도 RIS 설계를 평가하여 실용적 구현의 상충 관계를 분석한다.
• 사용자 측에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 수행하고 채널 상태 정보(CSI)를 활용하여 간섭 제거를 위한 탐지 벡터를 정렬한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 기반 수동 beamforming가 추가 수신 안테나 없이 MIMO-NOMA 네트워크에서 클러스터 간 간섭을 효과적으로 제거할 수 있는가?
• RQ2 확산 산란 및 이방성 반사 상황에서 효과적인 클러스터 간 간섭 제거를 달성하기 위해 필요한 RIS 요소의 최소 수는 얼마인가?
• RQ3 BS-RIS 및 RIS-사용자 링크 간의 LOS 링크 유무가 다양한 RIS 배치 모델에서 시스템 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 제안된 SCB 설계에서 외부 간섭 확률과 에르고딕 비트 전송률에 대한 폐쇄형 표현식은 무엇인가?
• RQ5 RIS 요소 수와 해상도(비트 수)가 시스템의 에너지 효율성(EE)과 최적 배치에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• RIS 요소 수가 충분히 많아지면 클러스터 간 간섭이 효과적으로 제거되어 신뢰할 수 있는 MIMO-NOMA 전송이 가능하다.
• 확산 산란 상황에서는 BS와 RIS 사이, RIS와 사용자 사이의 LOS 링크가 효과적인 신호 취소를 달성하기 위해 필요하다.
• 이방성 반사 상황에서는 LOS 링크가 필수적이지 않아 더 큰 배치 유연성을 제공한다.
• 제안된 SCB 설계는 L개의 RIS 요소에 대해 다양성 순서 L을 달성하여 fading 환경에서도 견고한 성능을 보인다.
• 에너지 효율성(EE)은 RIS 요소 수가 증가함에 따라 처음에는 증가하지만, 잔류 간섭과 오버헤드로 인해 결국 감소하며, 이는 최적의 RIS 요소 수 존재를 시사한다.
• 더 높은 해상도의 RIS(요소당 비트 수가 많을수록)는 잔류 간섭을 감소시키고 EE를 향상시키며, 고해상도에서 성능 포화 상태에 도달한다.