[논문 리뷰] Simultaneous Transmitting and ReflectingIntelligent Surfaces-Empowered NOMA Networks

Mahmoud Aldababsa, Aymen Khaleel외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 11.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 채널 추정 오 overhead 를 최소화하기 위해 확장 가능한 위상 이동 설계를 갖춘 동시 전송 및 반사 재구성 가능 지능형 표 superfice (STAR-RIS)를 적용한 비직교 다중접근 (NOMA) 시스템을 제안한다. 이는 사용자 간에 STAR-RIS 요소를 최적의 방법으로 분할하여 합성 수신률을 극대화하고 QoS를 보장하는 새로운 알고리즘을 도입하며, 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증된 폐쇄형 아웃리지 확률 표현을 유도한다. 이는 공간 상관성과 위상 오차 조건에서 기존 NOMA 및 OMA보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we propose simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. The considered STAR-RIS utilizes the mode switching (MS) protocol to serve multiple NOMA users located on both sides of the RIS surface. Based on the MS protocol, each STAR-RIS element can operate in full transmission or reflection mode. Within this perspective, we propose a novel algorithm to partition the STAR-RIS surface among the available users. This algorithm aims to determine the proper number of transmitting/reflecting elements needs to be assigned to each user in order to maximize the system sum-rate while guaranteeing the quality-of-service requirements for individual users. For the proposed system, we derive closed-form analytical expressions for the outage probability (OP) and its corresponding asymptotic behavior under different user deployments. Finally, Monte Carlo simulations are performed in order to verify the correctness of the theoretical analysis. It is shown that the proposed system outperforms the classical NOMA and orthogonal multiple access systems in terms of OP and sum-rate.

연구 동기 및 목표

• 기존 RIS의 반공간 커버리지 한계를 해결하기 위해 전체 공간 커버리지가 가능한 STAR-RIS 기반 NOMA 시스템을 제안한다.
• STAR-RIS 요소에 대한 확장 가능한 위상 이동 설계를 통해 채널 추정 오 overhead 를 감소시킨다.
• 개별 사용자의 QoS 제약 조건 하에서 시스템 합성 수신률을 극대화하기 위해 각 사용자에게 할당된 전송 및 반사 요소의 수를 공동 최적화한다.
• 다양한 사용자 배치 조건 하에서 아웃리지 확률의 폐쇄형 표현을 유도하고 그 점점 가까운 행동을 분석한다.
• 실제 조건인 공간 상관성과 위상 오차 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 분석을 검증한다.

제안 방법

• 각 요소가 전송 또는 반사 모드 중 하나에서만 작동하는 STAR-RIS를 위한 모드 전환(MS) 프로토콜을 제안한다.
• 채널 이득과 QoS 요구사항을 기반으로 사용자 간에 STAR-RIS 요소를 분할하는 새로운 알고리즘을 도입하여 추정 오 overhead 를 최소화한다.
• 중앙극한정리(Central Limit Theorem, CLT)를 사용해 연결 채널 이득을 정규분포 확률변수로 모델링하여 아웃리지 확률(OP)의 폐쇄형 표현을 도출한다.
• 다중접근의 전력 도메인 NOMA에서 순차적 인터패런스 제거(SIC)를 고려하여 사용자 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)을 모델링한다.
• 비중앙 카이제곱 및 중심 카이제곱 분포를 사용해 제곱 채널 이득을 특성화하고, 아웃리지 확률 분석을 위한 SINR의 누적분포함수(CDF)를 유도한다.
• 공간 상관성과 위상 오차 조건 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증하며, 기존 NOMA 및 OMA와의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 추정 오 overhead 를 줄인 NOMA 시스템에서, 개별 사용자의 QoS 요구사항을 충족하면서 합성 수신률을 극대화하기 위해 STAR-RIS 요소의 분할을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 공간 상관성과 위상 오차 조건 하에서 STAR-RIS 기반 NOMA 시스템의 분석적 아웃리지 확률은 무엇인가?
• RQ3 다양한 사용자 배치 및 요소 할당 전략에 따라 시스템 성능는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 고신호대노이즈비(SNR) 및 많은 수의 STAR-RIS 요소 조건에서 아웃리지 확률의 점점 가까운 행동은 어떠한가?
• RQ5 실제 전파 손상 조건에서 제안된 시스템은 기존 NOMA 및 OMA에 비해 합성 수신률과 아웃리지 성능 측면에서 어떻게 우월한가?

주요 결과

• 제안된 STAR-RIS-NOMA 시스템은 고공간 상관성과 위상 오차 조건에서 기존 NOMA 및 OMA에 비해 더 높은 시스템 합성 수신률을 달성한다.
• 유도된 폐쇄형 아웃리지 확률 표현은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 이론적 분석의 정확성을 확인한다.
• 위상 오차와 공간 상관성 조건 하에서도 시스템은 강건한 성능을 보이며, 고신호대노이즈비 영역에서 비영인 다각도 이득으로 수렴한다.
• 제안된 요소 분할 알고리즘은 약한 채널을 가진 사용자에게 더 많은 요소를 할당하여 사용자 공정성과 스펙트럼 효율성을 효과적으로 균형 잡는다.
• 점점 가까운 아웃리지 분석 결과, 시스템은 STAR-RIS 요소의 수에 비례하는 다각도 이득을 달성함으로써 신뢰성을 향상시킨다.
• 확장 가능한 위상 이동 설계의 사용은 채널 추정 오 overhead 를 크게 감소시켜 실시간 구현에 더 실용적인 시스템을 만든다.