[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface Enhanced NOMA Assisted Backscatter Communication System

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 18.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS)를 통합한 비직교 다중접속(NOMA) 백스캐터 커뮤니케이션 시스템을 제안하여, 전력 반사 계수와 RIS 위상 이득을 함께 최적화함으로써 합산 속도를 극대화한다. 연속적인 볼록 근사와 다양체 최적화를 활용한 교대 최적화 프레임워크를 통해 제안된 알고리즘은 뛰어난 스펙트럼 효율성을 달성하며, 특히 더 큰 RIS 개구부 크기를 가질 경우 기준 대비 성능이 뛰어나다.

ABSTRACT

A reconfigurable intelligent surface (RIS) enhanced non-orthogonal multiple access assisted backscatter communication (RIS-NOMABC) system is considered. A joint optimization problem over power reflection coefficients and phase shifts is formulated. To solve this non-convex problem, a low complexity algorithm is proposed by invoking the alternative optimization, successive convex approximation and manifold optimization algorithms. Numerical results corroborate that the proposed RIS-NOMABC system outperforms the conventional non-orthogonal multiple access assisted backscatter communication (NOMABC) system without RIS, and demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed algorithm.

연구 동기 및 목표

• 기존의 백스캐터 커뮤니케이션 시스템에서의 제한된 커버리지 및 낮은 스펙트럼 효율성 문제를 해결하기 위해.
• RIS와 NOMA 기술을 융합하여 백스캐터 네트워크의 시스템 합산 속도를 향상시키기 위해.
• 서비스 품질(QoS) 제약 조건 하에 백스캐터 장치의 전력 반사 계수와 RIS의 위상 이득을 함께 최적화하기 위해.
• 결합 설계에서 발생하는 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 저복잡도 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• 최소 QoS 제약 조건 하에 시스템 합산 속도를 극대화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 전력 반사 계수와 RIS 위상 이득의 결합 설계를 분리하기 위해 교대 최적화를 적용한다.
• 비볼록 하위문제를 볼록 문제로 반복적으로 근사하기 위해 연속적인 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 사용한다.
• 단위 구면 상에서 위상 이득 하위문제를 효율적으로 해결하기 위해 다양체 최적화를 활용한다.
• 정리 1을 통합하여 주어진 위상 이득에 대한 최적의 전력 반사 계수를 유도한다.
• 수렴할 때까지 변수를 반복 갱신함으로써 낮은 계산 비용으로 고품질의 해를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 통합이 NOMA 기반 백스캐터 커뮤니케이션 시스템의 합산 속도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 전력 반사 계수와 RIS 위상 이득의 공동 최적화가 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 알고리즘이 PSDP-RIS 및 Random-RIS와 같은 기준 기반 기술 대비 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 RIS 요소의 수와 전송 전력은 시스템 합산 속도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 RIS-NOMABC 시스템은 RIS 없이 구현된 전통적인 NOMABC 시스템에 비해 훨씬 높은 합산 속도를 달성하며, 특히 더 큰 RIS 개구부 크기를 가질 경우 두드러진 성능 향상을 보인다.
• 50개의 RIS 요소와 40 dBm 전송 전력 조건에서, 제안된 알고리즘은 NOMABC-noRIS 기준 대비 30퍼센트 이상의 합산 속도 향상을 달성한다.
• RIS 반사 요소의 수와 전송 전력이 증가할수록 시스템 합산 속도가 증가함을 확인하여, RIS-NOMABC 설계의 확장 가능성을 입증한다.
• 모든 시뮬레이션 시나리오에서 제안된 알고리즘이 PSDP-RIS 및 Random-RIS 기준 대비 뛰어난 성능을 보이며, 그 효과성을 확인한다.
• 위상 이득과 전력 반사 계수의 공동 최적화가 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 이끌어내며, RIS와 NOMA가 백스캐터 시스템에서 상호보완적인 역할을 함을 검증한다.