[논문 리뷰] STAR-RIS-NOMA Networks: An Error Performance Perspective

Mahmoud Aldababsa, Aymen Khaleel외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 19.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다중 비직교 사용자(비정렬 사용자)를 표면의 양측에 동시에 서비스하기 위해 동시 전송 및 반사가 가능한 재구성 가능한 지능형 표 superficies(STAR-RIS)를 활용하여 비트 오류율(BER) 성능을 향상시키는 STAR-RIS-NOMA 네트워크를 제안한다. 완벽한 및 불완전한 차수 간섭 제거(SIC)에 대한 폐형 BER 표현식을 사용하여, 연구는 고신호대잡음비(SNR) 영역에서 다각도 성향을 보이며 SIC 오류에 대해 더 뛰어난 내구성을 보이는 바, 10⁻³ BER에서 고전적 NOMA 대비 최대 29 dB의 BER 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This letter investigates the bit error rate (BER) performance of simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) in non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. In the investigated network, a STAR-RIS serves multiple non-orthogonal users located on either side of the surface by utilizing the mode switching protocol. We derive the closed-form BER expressions in perfect and imperfect successive interference cancellation cases. Furthermore, asymptotic analyses are also conducted to provide further insights into the BER behavior in the high signal-to-noise ratio region. Finally, the accuracy of our theoretical analysis is validated through Monte Carlo simulations. The obtained results reveal that the BER performance of STAR-RIS-NOMA outperforms that of the classical NOMA system, and STAR-RIS might be a promising NOMA 2.0 solution.

연구 동기 및 목표

• 완벽한 및 불완전한 차수 간섭 제거(SIC) 조건 하에서 STAR-RIS-NOMA 네트워크의 비트 오류율(BER) 성능을 분석하는 것.
• STAR-RIS의 전송 측과 반사 측에 위치한 사용자에 대한 폐형 BER 표현식을 유도하는 것.
• 고신호대잡음비(SNR) 영역에서 BER 행동을 이해하기 위해 점 渐진 분석을 수행하는 것.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증하고 고전적 NOMA 시스템과의 성능을 비교하는 것.
• RIS 요소 수, 전력 할당 및 SIC 오류가 BER 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 통계적 채널 모델을 사용하여 완벽한 및 불완전한 SIC 조건 하에서 이중 사용자 STAR-RIS-NOMA 시스템의 폐형 BER 표현식을 유도한다.
• STAR-RIS 요소를 서로 다른 측면의 사용자에게 동시에 전송 및 반사 기능을 수행하도록 할당하기 위해 모드 전환 프로토콜을 적용한다.
• 실제 구현 가능한 결합된 위상 이동 모델을 사용하여, 제어 가능한 진폭과 위상을 갖는 신호의 전송 및 반사를 가능하게 한다.
• 고신호대잡음비 영역에서 다각도 순서와 오류 바닥 행동을 유도하기 위해 점 渐진 분석을 수행한다.
• 실제 경로 손실 및 거리 모델(경로 손실 지수 α=2)을 사용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증한다.
• RIS 요소 수, 전력 할당 계수, SIC 오류 수준 등 다양한 파라미터에 대해 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 시스템 파라미터 조건에서 STAR-RIS-NOMA의 BER 성능은 고전적 NOMA와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 RIS 요소 수가 전송 영역 및 반사 영역의 사용자에 대한 BER 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 불완전한 SIC 및 전력 할당 계수는 STAR-RIS-NOMA 시스템의 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 STAR-RIS-NOMA 사용자에 대해 고신호대잡음비 영역에서의 다각도 성향과 오류 바닥 행동은 무엇인가?
• RQ5 사용자 위치(기지국 및 RIS로부터의 거리)는 BER 성능과 전력 할당에 대한 민감도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 75개의 RIS 요소를 사용할 경우, BER이 10⁻³일 때 고전적 NOMA 대비 최대 29 dB의 BER 향상을 달성하며, 이는 뚜렷한 성능 향상을 보여준다.
• 완벽한 SIC의 경우, STAR-RIS-NOMA 사용자는 다각도 성향을 보이며, 불완전한 SIC의 경우 BER 성능이 열악해지고 고신호대잡음비 영역에서 오류 바닥에 도달한다.
• 원거리 사용자(U₂)는 SIC 오류에 더 민감하며, 근거리 사용자(U₁)의 전력 할당을 증가시켜 SIC 오류율을 낮추면 U₂의 BER 성능이 향상된다.
• 사용자 U₁은 RIS 요소 수보다 전력 할당 변화에 더 민감하다. 전력 할당 계수를 0.1 증가시키면 BER=10⁻³을 유지하기 위해 필요한 RIS 요소 수가 13개 감소한다.
• 3사용자 시나리오에서 반사 영역에 위치한 사용자 U₃는 상호 표면 간섭을 겪지 않으며, 전송 영역의 사용자들과 달리 BER 오류 바닥을 피한다.
• 완벽한 및 불완전한 SIC 조건에 대한 이론적 BER 표현식은 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 완벽하게 일치하여 분석 모델의 타당성을 입증한다.