[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface Aided NOMA Networks

Tianwei Hou, Yuanwei Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 20.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 47인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 비직교 다중접근(NOMA) 네트워크를 제안한다. RIS에서의 수동 beamforming 최적화를 통해 시스템은 향상된 아웃지 전송 확률 및 에르고딕 속도 성능을 달성하며, 분석 결과는 고신호대역비(SNR)에서의 기울기가 1이며, 특히 RIS 요소 수가 많은 경우 직교 다중접근(OMA)보다 뛰어난 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) constitute a promising performance enhancement for next-generation (NG) wireless networks in terms of enhancing both their spectrum efficiency (SE) and energy efficiency (EE). We conceive a system for serving paired power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) users by designing the passive beamforming weights at the RISs. In an effort to evaluate the network performance, we first derive the best-case and worst-case of new channel statistics for characterizing the effective channel gains. Then, we derive the best-case and worst-case of our closed-form expressions derived both for the outage probability and for the ergodic rate of the prioritized user. For gleaning further insights, we investigate both the diversity orders of the outage probability and the high-signal-to-noise (SNR) slopes of the ergodic rate. We also derive both the SE and EE of the proposed network. Our analytical results demonstrate that the base station (BS)-user links have almost no impact on the diversity orders attained when the number of RISs is high enough. Numerical results are provided for confirming that: i) the high-SNR slope of the RIS-aided network is one; ii) the proposed RIS-aided NOMA network has superior network performance compared to its orthogonal counterpart.

연구 동기 및 목표

• 다음세대(NG) 무선 네트워크에서 RIS-보조 NOMA를 활용하여 스펙트럼 효율성(SE)과 에너지 효율성(EE)을 향상시키기.
• Rician fading 하에서 페어드 파워 도메인 NOMA 사용자와 함께 RIS-보조 NOMA 시스템의 성능을 분석하기.
• 최상 및 최악의 채널 통계 하에서 아웃지 전송 확률 및 에르고딕 속도에 대한 폐형 표현을 유도하기.
• 다양도 순서와 고신호대역비 기울기를 조사하여 시스템의 강건성과 성능 스케일링을 이해하기.
• 시스템의 SE와 EE를 평가하고, 직교 다중접근(OMA) 대안과 비교하기.

제안 방법

• RIS가 최적화된 위상 이득을 가진 수동 beamforming을 적용하여 신호를 반사하는 다운링크 RIS-보조 SISO-NOMA 네트워크를 제안한다.
• Rician fading 채널에 대해 최상 및 최악의 근사치를 사용하여 효과적 채널 이득 통계를 유도한다.
• 하향 incomplete 감마 함수와 이항 전개를 사용하여 아웃지 전송 확률 및 에르고딕 속도에 대한 폐형 표현을 유도한다.
• 고신호대역비 영역에서 점근적 분석을 적용하여 아웃지 전송 확률 및 에르고딕 속도를 근사화하고, 고신호대역비 기울기 평가를 가능하게 한다.
• 다항정리와 지수 적분 함수를 활용하여 최악의 경우 에르고딕 속도에 대한 해석 가능한 표현을 유도한다.
• 다양도 순서와 고신호대역비 기울기를 분석하여 다양도 및 스펙트럼 효율성 스케일링을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 수동 beamforming은 NOMA 사용자의 아웃지 전송 확률과 에르고딕 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 RIS 요소의 수는 시스템의 다양도 순서와 고신호대역비 기울기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 RIS-보조 NOMA는 전통적인 직교 다중접근(OMA) 대비 스펙트럼 효율성(SE)과 에너지 효율성(EE) 측면에서 어떤 성능 향상을 제공하는가?
• RQ4 최상 및 최악의 채널 통계는 시스템의 성능 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 RIS-보조 NOMA 네트워크에서 에르고딕 속도의 고신호대역비 기울기는 얼마이며, 스펙트럼 효율성 스케일링에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• RIS-보조 NOMA 네트워크의 고신호대역비 기울기는 정확히 1이며, 고신호대역비 영역에서 최적의 스펙트럼 효율성 스케일링을 나타낸다.
• RIS 요소 수가 충분히 많아지면 아웃지 전송 확률의 다양도 순서가 기지국(BS)-사용자 링크에 영향을 받지 않는다.
• 제안된 RIS-보조 NOMA 시스템은 그 직교 다중접근(OMA) 대안보다 뛰어난 네트워크 성능을 달성한다.
• 최악의 경우 에르고딕 속도 표현은 다항 전개와 지수 적분 함수를 사용하여 폐형으로 유도되었다.
• 아웃지 전송 확률은 이항 전개와 점근적 분석을 활용하여 고신호대역비 영역에서 근사화되었다.
• 시스템의 스펙트럼 및 에너지 효율성은 해석적으로 유도되었으며 수치 결과를 통해 검증되어 RIS 통합으로 인한 성능 향상이 확인되었다.