[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) Aided Multi-User Networks: Interplay Between NOMA and RIS

Yuanwei Liu, Xidong Mu외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 26.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 34

한 줄 요약

본 논문은 RIS 보조 다중 사용자 네트워크를 NOMA와 OMA 하에서 분석하고, 동적 RIS 구성이 NOMA에서 용량 달성(capacity-achieving)임을 보이며, RIS 배치를 조사하고 RIS-NOMA 시스템을 위한 공동 빔형성(design)을 제안한다.

ABSTRACT

This article focuses on the exploitation of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) in multi-user networks employing orthogonal multiple access (OMA) or non-orthogonal multiple access (NOMA), with an emphasis on investigating the interplay between NOMA and RIS. Depending on whether the RIS reflection coefficients can be adjusted only once or multiple times during one transmission, we distinguish between static and dynamic RIS configurations. In particular, the capacity region of RIS aided single-antenna NOMA networks is characterized and compared with the OMA rate region from an information-theoretic perspective, revealing that the dynamic RIS configuration is capacity-achieving. Then, the impact of the RIS deployment location on the performance of different multiple access schemes is investigated, which reveals that asymmetric and symmetric deployment strategies are preferable for NOMA and OMA, respectively. Furthermore, for RIS aided multiple-antenna NOMA networks, three novel joint active and passive beamformer designs are proposed based on both beamformer based and cluster based strategies. Finally, open research problems for RIS-NOMA networks are highlighted.

연구 동기 및 목표

• NOMA와 OMA와 같은 MA 스킴을 갖는 RIS 보조 다중 사용자 네트워크를 동기 부여하고 연구한다.
• 정적 및 동적 RIS 구성 하에서 정보이론적 용량 한계를 규명한다.
• RIS 배치 전략과 이들의 NOMA 및 OMA 성능에 대한 영향을 탐구한다.
• RIS 보조 다중 안테나 NOMA 네트워크를 위한 활성 빔형성(active)과 수동 빔형성(passive) 디자인을 제안한다.
• RIS-NOMA 시스템의 미해결 연구 문제와 향후 방향을 강조한다.

제안 방법

• RIS 보조 다중 사용자 방송 채널을 단일 안테나 기지국(BS)과 다수의 단일 안테나 사용자들이 RIS에 도움을 받는 형태로 모델링한다.
• 정적 RIS 구성(일회성 반사 계수)과 동적 RIS 구성(하나의 전송 동안 여러 차례 반사 계수 업데이트)을 구분한다.
• 정적 및 동적 RIS 구성을 가진 RIS 보조 BC의 용량 영역을 도출하고, NOMA를 사용하는 동적 RIS가 용량을 달성함을 보인다.
• RIS의 배치 전략(통합(consolidation) 대 역방향(reverse))을 제안하고 이들의 NOMA 및 OMA에 대한 영향을 분석한다.
• 활성 빔형성 및 수동 빔형성의 공동 설계를 개발하며, 빔포어 기반(beamformer-based) 및 클러스터 기반(cluster-based) 접근법을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 대 동적 RIS 구성에서 NOMA 및 OMA 하의 RIS 보조 다중 사용자 네트워크의 기본 용량 한계는 무엇인가?
• RQ2 RIS 배치 위치가 RIS 보조 네트워크에서 NOMA와 OMA의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다중-안테나 NOMA 네트워크에서 RIS를 효과적으로 활용할 수 있는 활성 및 수동 빔형성 전략은 무엇인가?
• RQ4 NOMA에서 동적 RIS 구성과 SIC를 사용할 때 복잡도와 용량 간의 실용적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 CSI, ML 설계 및 하드웨어 검증과 관련하여 RIS-NOMA 네트워크에 남아 있는 미해결 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 동적 RIS 구성이 NOMA를 갖는 RIS 보조 다중 사용자 BC에서 용량 달성(capacity-achieving)을 보이며, 정적 RIS 및 OMA보다 용량 영역에서 우수하다.
• 일부 시나리오에서 동적 RIS가 OMA에 대해 NOMA보다 더 큰 이득을 제공하여 용량-복잡도(tradeoff)를 강조한다.
• 비대칭 RIS 배치(한 사용자에 더 가까움)는 채널 편차를 증가시켜 NOMA에 이익을 주고, 대칭 배치는 FDMA/TDMA를 선호한다.
• 다중-안테나 NOMA의 경우, 등가 재구성 가능한 채널 설계가 활성 및 수동 빔포머의 공동 최적화를 돕는다.
• 클러스터 기반 RIS-NOMA 설계(중앙 집중형 및 분산형)는 서로 다른 커버리지 및 CSI 요구사항을 제공하며, 복잡도와 확장성의 트레이드오프가 있다.