[논문 리뷰] Modeling and Coverage Analysis for RIS-aided NOMA Transmissions in Heterogeneous Networks

Ziyi Xie, Wenqiang Yi외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이질적 네트워크(HetNets)에서 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)-보조 비직렬 다중접근(NOMA)를 위한 스토하스틱 기하학 기반 분석 프레임워크를 제안한다. RIS, 기지국(BS), 사용자 단말기(UE)를 각각 포아송 점 프로세스로 모델링한다. 링크 분포, 사용자 할당, SINR/속도 커버리지 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, RIS 배치가 속도 커버리지를 크게 향상시키고, 최적의 RIS-BS 밀도 비율이 존재함을 보여주며, RIS 길이는 커버리지 향상의 결정적 요소가 되지 않는다고 한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has been regarded as a promising tool to strengthen the quality of signal transmissions in non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. This article introduces a heterogeneous network (HetNet) structure into RIS-aided NOMA multi-cell networks. A practical user equipment (UE) association scheme for maximizing the average received power is adopted. To evaluate system performance, we provide a stochastic geometry based analytical framework, where the locations of RISs, base stations (BSs), and UEs are modeled as homogeneous Poisson point processes (PPPs). Based on this framework, we first derive the closed-form probability density function (PDF) to characterize the distribution of the reflective links created by RISs. Then, both the exact expressions and upper/lower bounds of UE association probability are calculated. Lastly, the analytical expressions of the signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) and rate coverage probability are deduced. Additionally, to investigate the impact of RISs on system coverage, the asymptotic expressions of two coverage probabilities are derived. The theoretical results show that RIS length is not the decisive factor for coverage improvement. Numerical results demonstrate that the proposed RIS HetNet structure brings significant enhancement in rate coverage. Moreover, there exists an optimal combination of RISs and BSs deployment densities to maximize coverage probability.

연구 동기 및 목표

• 고주파 대역 무선 네트워크에서 블로킹과 약한 채널 조건으로 인한 열악한 커버리지 문제를 해결하기 위해.
• 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해 RIS-보조 NOMA를 이질적 네트워크(HetNets)에 통합하기 위해.
• RIS, BS, UE의 무작위 배치를 고려한 시스템 성능 평가를 위한 해석 가능하고 실용적인 모델을 개발하기 위해.
• 사용자 할당 확률, SINR, 속도 커버리지 확률와 같은 핵심 성능 지표에 대한 폐쇄형 표현식을 도출하기 위해.
• 네트워크 커버리지를 최대화하는 RIS와 BS의 최적 배치 전략을 규명하기 위해.

제안 방법

• 스토하스틱 해석 가능성을 확보하기 위해 RIS, BS, UE의 위치를 상호 독립적인 동일한 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• 적분 변환과 고유함수를 사용하여 RIS 반사 링크의 거리 분포에 대한 폐쇄형 확률밀도함수(PDF)를 유도한다.
• 직접 라인오브사이트(LoS) 링크와 RIS 반사 링크를 구분하는 평균 수신 전력 최대화 기반의 실용적인 사용자 할당 방식을 제안한다.
• path loss와 샤프팅을 고려하여 직접 BS나 RIS 보조 링크에 대한 사용자 할당 확률에 대한 정확한 및 유계 표현식을 개발한다.
• 직접 전송 및 RIS 보조 전송 모드에서 신호 대 간섭+노이즈비(SINR) 및 속도 커버리지 확률에 대한 분석 표현식을 유도한다.
• RIS 크기가 무한대에 가까워질 때의 점점 가까운 분석을 통해 커버리지 성능을 연구하며, 대규모 RIS 영역에서는 RIS의 간섭이 지배적임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS의 배치는 RIS-보조 NOMA HetNet에서 사용자 할당 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 RIS 크기와 배치 밀도는 SINR 및 속도 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스토하스틱 기하학을 활용해 RIS-보조 NOMA HetNet에 대해 폐쇄형 분석 프레임워크를 수립할 수 있는가?
• RQ4 시스템 커버리지를 최대화하기 위해 RIS와 BS의 배치 밀도 사이에 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 RIS 길이는 커버리지 향상에 결정적인 영향을 미치는가, 아니면 다른 요소들이 더 중요한가?

주요 결과

• 제안된 RIS-보조 NOMA HetNet 아키텍처는 기존 네트워크 대비 속도 커버리지 확률에서 뚜렷한 향상을 달성한다.
• 커버리지 확률을 최대화하는 데 있어 RIS와 BS의 최적 배치 밀도 조합이 존재하며, 이는 비단순적인 성능 트레이드오프를 나타낸다.
• RIS 길이는 커버리지 향상의 결정적 요소가 아니며, 대신 배치 밀도와 채널 조건이 더 중요한 역할을 한다.
• RIS 크기가 증가함에 따라 커버리지 확률은 간섭으로 인해 결정되는 한계값으로 수렴하며, 노이즈의 영향은 무시할 수 있다.
• 대규모 RIS 영역에서의 점점 가까운 커버리지 확률은 폐쇄형으로 유도되었으며, RIS-BS 및 RIS-UE 링크의 경로 손실 지수와 샤프팅 파rameter에 의존함을 보여준다.
• 분석 프레임워크는 RIS 배치가 시스템 성능에 미치는 영향을 성공적으로 반영하였으며, 수치 결과를 통해 이론적 유도와 강한 일치를 보였다.