[논문 리뷰] Queue-Aware STAR-RIS Assisted NOMA Communication Systems

Nannan Zhang, Yuanwei Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 라플라스 드리프트 이론을 사용하여 대기열 가중 합률(QWSR) 최대화 문제를 수립함으로써 장기적인 안정성을 확보하는 대기열 인지 STAR-RIS 기반 NOMA 시스템을 제안한다. 이는 세 가지 프로토콜—에너지 분할, 모드 전환, 시간 분할—하에 NOMA 복원 순서, 기지국의 능동 비음향형성, STAR-RIS의 수동 전달/반사 계수를 공동으로 최적화하며, 특히 시간 분할 프로토콜에서 QWSR 및 평균 대기열 길이 측면에서 뛰어난 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, the queue-aware simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RIS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) communication system is investigated to ensure the system stability, where the long-term stability-oriented problem is reformulated to maximize the per-slot queue-weighted sum rate (QWSR) of users based on the Lyapunov drift theory. By jointly optimizing the NOMA decoding order, the active beamforming coefficients at the BS, and the passive transmission and reflection coefficients at the STAR-RIS, three STAR-RIS operating protocols are considered, namely energy splitting (ES), mode switching (MS), and time switching (TS). For ES, the blocked coordinate descent and the successive convex approximation methods are invoked to handle the highly-coupled and non-convex problem. For MS, the proposed algorithm is further extended to a penalty-based two-loop algorithm to solve the binary amplitude constrained problem. For TS, the formulated problem is decomposed into two subproblems, each of which can be solved in a similar manner to ES. Simulation results show that: i) our proposed STAR-RIS assisted NOMA communication achieves better performance than the conventional schemes; ii) the reformulated QWSR maximization problem confirms the system stability; and iii) TS achieves superior performance with respect to both the QWSR and the average queue length.

연구 동기 및 목표

• 무한한 시간 영역을 가진 STAR-RIS 기반 NOMA 시스템에서 장기적인 시스템 안정성을 확보하는 과제를 해결하기 위해.
• 기지국의 대기열 길이에 따라 사용자를 동적으로 우선순위를 부여하는 대기열 가중 합률(QWSR) 최대화 프레임워크를 설계하기 위해.
• 에너지 분할, 모드 전환, 시간 분할의 세 가지 운영 프로토콜 하에서 NOMA 복원 순서, 기지국의 능동 비음향형성, STAR-RIS의 수동 계수를 공동으로 최적화하기 위해.
• 각 프로토콜 하에서 비볼록이고 상당히 결합된 최적화 문제를 해결하기 위한 효율적인 반복 알고리즘을 개발하기 위해, 특히 모드 전환에서의 이진 진폭 제약 조건을 고려하여.
• 광범위한 시뮬레이션을 통해 제안된 방법이 스펙트럼 효율성과 대기열 안정성 측면에서 모두 뛰어난 성능을 보임을 검증하기 위해.

제안 방법

• 장기적 안정성 문제를 라플라스 드리프트 이론을 활용해 슬롯 단위의 QWSR 최대화 문제로 재구성하며, 사용자 데이터 전송률 가중치는 해당 사용자의 대기열 길이에 비례한다.
• 대기열 길이에 따라 우선순위를 부여함으로써 공정성과 안정성을 향상시키는 대기열 가중 합률(QWSR) 지표를 도입한다.
• 에너지 분할(ES)의 경우, 비볼록이고 결합된 문제에서 비음향형성과 STAR-RIS 계수를 반복적으로 최적화하기 위해 블록 좌표 강하와 순차적 볼록 근사 기법을 적용한다.
• 모드 전환(MS)의 경우, 이진 진폭 제약 조건을 처리하기 위해 페널티 기반의 이중 루프 반복 방법으로 알고리즘을 확장한다.
• 시간 분할(TS)의 경우, 문제를 전송 모드와 반사 모드로 두 개의 하위문제로 분해하며, 각각은 ES 경우와 유사하게 해결된다.
• 교차 최적화와 볼록 근사 기법을 활용하여 해의 수렴성과 실현 가능성 보장을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 사용자 트래픽과 무한한 시간 영역을 가진 STAR-RIS 기반 NOMA 시스템에서 시스템 안정성을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ2 기지국의 대기열 길이가 다양할 경우, NOMA 시스템에서 사용자를 최적의 방식으로 우선순위를 어떻게 부여할 수 있는가?
• RQ3 에너지 분할, 모드 전환, 시간 분할의 세 가지 STAR-RIS 운영 프로토콜이 QWSR 및 대기열 안정성 측면에서 NOMA 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NOMA 복원 순서, 능동 비음향형성, 수동 STAR-RIS 계수의 공동 최적화가 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비볼록이고 상호의존적인 최적화 문제의 특성 하에서 제안된 반복 알고리즘이 안정적이고 고성능 해에 수렴할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 QWSR 최대화 프레임워크는 대기열 길이에 따라 사용자 전송률을 동적으로 가중함으로써 장기적인 시스템 안정성을 성공적으로 확보한다.
• 시간 분할(TS) 프로토콜이 세 가지 프로토콜 중에서 가장 높은 대기열 가중 합률(QWSR)과 가장 낮은 평균 대기열 길이를 달성한다.
• 순차적 볼록 근사와 블록 좌표 강하 기반의 제안된 반복 알고리즘은 반복 단계당 합률이 단조적으로 증가함으로써 안정된 해에 수렴함을 증명하였다.
• STAR-RIS와 NOMA를 통합한 시스템은 특히 고밀도 사용자 트래픽 하에서 기존의 방법에 비해 스펙트럼 효율성과 대기열 안정성 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• NOMA 복원 순서, 능동 비음향형성, 수동 STAR-RIS 계수의 공동 최적화는 고정 또는 부분 최적 설정에 비해 상당한 성능 향상을 이룬다.
• 이론적 분석을 통해 최적의 비음향형성 행렬이 질서가 1임을 확인하여 실현 가능하고 에너지 효율적인 전송을 보장한다.