[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided Multi-Cell NOMA Networks: A Stochastic Geometry Model

Chao Zhang, Wenqiang Yi외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 41인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superficies(RIS)로 향상된 다셀 비직교 다중접속(NOMA) 네트워크를 위한 확률적 기하 모델을 제안하며, 사용자 커버리지 및 에르고딕 속도를 분석하기 위해 포아송 클러스터 프로세스를 활용한다. 커버리지 확률과 에르고딕 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여, RIS가 새로운 LOS 링크를 가능하게 하고 유연한 순차 간섭 제거(SIC) 순서를 제공함으로써 스펙트럼 효율성을 향상시키며, RIS 크기가 증가함에 따라 성능이 포화 상태에 도달함을 보여준다.

ABSTRACT

By activating blocked users and altering successive interference cancellation (SIC) sequences, reconfigurable intelligent surfaces (RISs) become promising for enhancing non-orthogonal multiple access (NOMA) systems. The downlink RIS-aided NOMA networks are investigated via stochastic geometry. We first introduce the unique path loss model for RIS reflecting channels. Then, we evaluate the angle distributions based on a Poisson cluster process (PCP) model, which theoretically demonstrates that the angles of incidence and reflection are uniformly distributed. Additionally, we derive closed-form analytical and asymptotic expressions for coverage probabilities of the paired NOMA users. Lastly, we derive the analytical expressions of the ergodic rate for both of the paired NOMA users and calculate the asymptotic expressions for the typical user. The analytical results indicate that 1) the achievable rates reach an upper limit when the length of RIS increases; 2) exploiting RISs can enhance the path loss intercept to improve the performance without influencing the bandwidth. Our results show that 1) RIS-aided NOMA networks have superior performance than the conventional NOMA networks, and 2) the SIC order in NOMA systems can be altered since RISs are able to change the channel quality of NOMA users.

연구 동기 및 목표

• 실제 전파 조건에서 시스템 성능을 분석하기 위해 RIS 보조 다셀 NOMA 네트워크를 확률적 기하학으로 모델링하는 것.
• 단거리 및 장거리 시나리오 모두에서 입사 및 반사 거리를 고려한 RIS 반사 채널을 위한 새로운 경로 손실 모델을 개발하는 것.
• 포아송 클러스터 프로세스(PCP) 모델 하에서 입사 및 반사 각도가 균일 분포를 이룬다는 것을 이론적으로 증명하는 것.
• RIS 보조 네트워크에서 NOMA 사용자의 커버리지 확률과 에르고딕 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하는 것.
• RIS 배치가 채널 품질에 미치는 영향과 함께 순차 간섭 제거(SIC) 순서의 탄력성 향상 여부를 조사하는 것.

제안 방법

• 기지국과 사용자의 공간적 클러스터링을 반영하기 위해 RIS 보조 NOMA 네트워크를 포아송 클러스터 프로세스(PCP)로 모델링한다.
• 장거리 외부 통신에 적합한, 입사 및 반사 거리의 곱에 기반한 RIS 채널을 위한 고유한 경로 손실 모델을 제안한다.
• 다른 기지국으로부터의 간섭의 라플라스 변환을 유도하기 위해 포아송 점 프로세스(PPP)의 확률 생성 함수(PGFL)를 사용한다.
• 이항 전개 근사법을 적용하여 라이카이언 페이징 채널의 분포를 모델링하여 신호 대 간섭 더하기 잡음비(SINR)의 분석 가능성을 높인다.
• Campbell의 정리와 일반화된 초함수를 활용하여 기대 간섭과 커버리지 확률을 계산한다.
• 모멘트 생성 함수 근사법을 사용하여 고신호 대 잡음비(SNR) 및 대규모 RIS 조건 하에서 에르고딕 속도의 점 渐진 표현식을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입사 및 반사 거리의 합 또는 곱에 따라 RIS 경로 손실 모델이 어떻게 다를 수 있으며, 어느 것이 실외 다셀 시나리오에 더 적합한가?
• RQ2 포아송 클러스터 프로세스 모델 하에서 RIS 보조 NOMA 네트워크에서 입사 및 반사 각도의 분포는 어떠한가?
• RQ3 RIS 배치가 다셀 환경에서 NOMA 사용자의 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 RIS 보조 네트워크에서 쌍으로 이루어진 NOMA 사용자의 에르고딕 속도에 대한 분석적 표현식은 무엇이며, RIS 크기에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 RIS가 사용자 채널 품질를 변화시켜 NOMA 시스템의 SIC 디코딩 순서를 변경시킬 수 있으며, 그 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• RIS 길이가 증가함에 따라 NOMA 사용자의 이행 가능한 에르고딕 속도는 포화 상태에 도달함을 보여주며, 이는 특정 크기 이상에서는 수익 감소 현상이 발생함을 시사한다.
• 추가 대역폭 없이도 RIS 배치가 경로 손실의 절편을 향상시켜 스펙트럼 효율성과 사용자 커버리지 향상에 기여한다.
• 커버리지 확률과 에르고딕 속도 표현식이 폐쇄형 및 점 渐진 형태로 도출되어 다양한 네트워크 조건 하에서 성능 평가가 가능해졌다.
• RIS 빔포밍을 통해 NOMA의 SIC 순서를 동적으로 변경할 수 있으며, RIS는 약한 사용자의 채널 품질을 향상시켜 더 나은 사용자 페어링과 속도 공정성 향상을 가능하게 한다.
• 포아송 클러스터 프로세스 모델은 입사 및 반사 각도가 균일 분포를 이룬다는 것을 확인하여, 확률적 기하학 프레임워크의 분석 가능성과 타당성을 입증한다.
• 수치 결과는 RIS 보조 NOMA가 기존 NOMA보다 커버리지 및 속도 측면에서 뛰어나며, 특히 셀 엣지 사용자에게서 두드러진 성능 향상을 보임을 보여준다.