[논문 리뷰] Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surface Assisted NOMA Networks

Xinwei Yue, Jin Xie외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 58인용 수 162

한 줄 요약

이 논문은 라이케인 fading 채널에서 동시에 전송 및 반사 기능을 수행하는 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(_STAR-RIS_)를 활용한 비직교 다중접근(NOMA) 네트워크를 제안한다. 여기서 STAR-RIS는 신호를 근거리 사용자와 원거리 사용자 모두에게 분배한다. 불완전한 성능 기반의 순차 간섭 제거(ipSIC) 및 완전한 성능 기반의 순차 간섭 제거(pSIC) 조건 하에서 근사된 아웃리지 확률 및 에르고딕 데이터 전송률 표현식을 유도하며, pSIC 조건에서 근거리 사용자는 다양도 순서가 1이며 고신호대역비(SNR)에서 에르고딕 전송률 기울기가 1임을 보이고, 원거리 사용자는 기울기가 0임을 확인한다. 이는 아웃리지 성능 및 에르고딕 전송률 성능에서 STAR-RIS-OMA 및 전통적인 협력 시스템보다 뛰어나다.

ABSTRACT

Simultaneously transmitting/refracting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) has been introduced to achieve full coverage area. This paper investigate the performance of STAR-RIS assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) networks over Rician fading channels, where the incidence signals sent by base station are reflected and transmitted to the nearby user and distant user, respectively. To evaluate the performance of STAR-RIS-NOMA networks, we derive new approximate expressions of outage probability and ergodic rate for a pair of users, in which the imperfect successive interference cancellation (ipSIC) and perfect SIC (pSIC) schemes are taken into consideration. Based on the asymptotic expressions, the diversity orders of the nearby user with ipSIC/pSIC and distant user are achieved carefully. The high signal-to-noise ratio slopes of ergodic rates for nearby user with pSIC and distant user are equal to $one$ and $zero$, respectively. In addition, the system throughput of STAR-RIS-NOMA is discussed in delay-limited and delay-tolerant modes. Simulation results are provided to verify the accuracy of the theoretical analyses and demonstrate that: 1) The outage probability of STAR-RIS-NOMA outperforms that of STAR-RIS assisted orthogonal multiple access (OMA) and conventional cooperative communication systems; 2) With the increasing of reflecting elements $K$ and Rician factor $\kappa $, the STAR-RIS-NOMA networks are capable of attaining the enhanced performance; and 3) The ergodic rates of STAR-RIS-NOMA are superior to that of STAR-RIS-OMA.

연구 동기 및 목표

• 전체 공간 커버리지가 가능한 Rician fading 채널에서 STAR-RIS-NOMA 네트워크의 성능을 조사한다.
• 불완전한 성능 기반의 순차 간섭 제거(ipSIC) 및 완전한 성능 기반의 순차 간섭 제거(pSIC) 조건 하에서 아웃리지 확률 및 에르고딕 전송률의 근사 표현식을 유도한다.
• 근거리 및 원거리 사용자에 대해 다양도 순서와 고신호대역비(SNR)에서의 에르고딕 전송률 기울기를 분석한다.
• 지연 제한 모드와 지연 용납 모드에서의 시스템 스루풋 성능을 비교한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 이론적 분석을 검증하고, STAR-RIS-OMA 및 전통적인 협력 시스템에 비해 성능 우월성을 입증한다.

제안 방법

• RIS가 동시에 근거리 사용자에게 반사 신호를 전달하고 원거리 사용자에게 신호를 전송하는 STAR-RIS-NOMA 시스템을 제안한다.
• 신호를 정렬하기 위해 일관된 위상 이동 기법을 사용하고, 두 링크 모두에 대해 연결된 Rician fading 채널을 모델링한다.
• 라게르 복소다항식의 급수 전개 및 가우스-체비셰프 적분 기법을 활용해 수치적 통합을 위한 아웃리지 확률 근사 표현식을 유도한다.
• 고신호대역비(SNR) 조건에서의 점점 가까운 표현식을 도출하기 위해 라플라스 변환 및 역라플라스 변환 기법을 적용한다.
• 에르고딕 전송률 적분의 수치적 평가를 위해 가우스-라게르 적분 기법을 활용한다.
• 반사 요소 수와 Rician 계수의 다양한 설정 조건 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ipSIC 및 pSIC 조건 하에서 STAR-RIS-NOMA의 아웃리지 성능은 STAR-RIS-OMA 및 전통적인 협력 시스템에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ2 ipSIC 및 pSIC 조건 하에서 STAR-RIS-NOMA의 근거리 및 원거리 사용자의 다양도 순서는 무엇인가?
• RQ3 ipSIC 및 pSIC 조건 하에서 STAR-RIS-NOMA의 근거리 및 원거리 사용자에 대한 고신호대역비(SNR)에서의 에르고딕 전송률 기울기는 얼마인가?
• RQ4 반사 요소 수 K와 Rician 계수 κ는 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 지연 제한 모드와 지연 용납 모드에서의 시스템 스루풋 성능은 어떠한가?

주요 결과

• pSIC 조건 하에서 근거리 사용자는 다양도 순서가 1을 기록하여 완전한 다양도 이득을 확보하며, 원거리 사용자는 다양도 순서가 0이다.
• pSIC 조건 하에서 근거리 사용자의 고신호대역비(SNR)에서의 에르고딕 전송률 기울기는 1이며, 이는 최적의 스펙트럼 효율 스케일링을 의미한다. 반면 원거리 사용자는 기울기가 0이다.
• 모든 신호대역비(SNR) 영역에서 STAR-RIS-NOMA의 아웃리지 확률은 STAR-RIS-OMA 및 전통적인 협력 시스템보다 낮다.
• 반사 요소 수 K와 Rician 계수 κ를 증가시키면 STAR-RIS-NOMA의 아웃리지 성능 및 에르고딕 전송률이 향상된다.
• 특히 고신호대역비(SNR) 및 고속도 이동 환경에서, STAR-RIS-NOMA의 에르고딕 전송률은 STAR-RIS-OMA를 뛰어넘는다.
• 수치적 결과는 아웃리지 확률 및 에르고딕 전송률에 대한 유도된 근사 표현식의 정확성을 확인한다.