[논문 리뷰] STAR-RISs: A Correlated T&R Phase-Shift Model and Practical Phase-Shift Configuration Strategies

Jiaqi Xu, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 24인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 전자기적 제약로 인해 전달 및 반사 신호를 독립적으로 제어할 수 없는 수동 손실 없는 STAR-RIS를 위한 상관된 전달 및 반사(전달/반사) 위상 이득 모델을 제안한다. 이 모델은 세 가지 실용적인 위상 이득 구성(PSC) 전략—PS-PSC, DP-PSC, TR-PSC—을 도입하며, DP-PSC 전략이 양측 사용자에게 완전한 다중성 순서를 달성하여 독립적 위상 이득 모델의 성능 상한선과 동일한 성능을 내지만, 전력 손실이 약 4 dB에 그친다.

ABSTRACT

A correlated transmission and reflection (T&R) phase-shift model is proposed for passive lossless simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs). A STAR-RIS-aided two-user downlink communication system is investigated for both orthogonal multiple access (OMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA). To evaluate the impact of the correlated T&R phase-shift model on the communication performance, three phase-shift configuration strategies are developed, namely the primary-secondary phase-shift configuration (PS-PSC), the diversity preserving phase-shift configuration (DP-PSC), and the T/R-group phase-shift configuration (TR-PSC) strategies. Furthermore, we derive the outage probabilities for the three proposed phase-shift configuration strategies as well as for those of the random phase-shift configuration and the independent phase-shift model, which constitute performance lower and upper bounds, respectively. Then, the diversity order of each strategy is investigated based on the obtained analytical results. It is shown that the proposed DP-PSC strategy achieves full diversity order simultaneously for users located on both sides of the STAR-RIS. Moreover, power scaling laws are derived for the three proposed strategies and for the random phase-shift configuration. Numerical simulations reveal a performance gain if the users on both sides of the STAR-RIS are served by NOMA instead of OMA. Moreover, it is shown that the proposed DP-PSC strategy yields the same diversity order as achieved by STAR-RISs under the independent phase-shift model and a comparable power scaling law with only 4 dB reduction in received power.

연구 동기 및 목표

• 수동 손실 없는 STAR-RIS에 대한 현실적인 하드웨어 모델이 전달 및 반사 간의 전자기적 결합을 고려하지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• 수동 STAR-RIS 요소의 물리적 제약을 고려한 실용적인 위상 이득 구성(PSC) 전략을 개발하기 위해.
• OMA 및 NOMA 환경에서 교착 확률, 다중성 순서, 전력 스케일링 법칙 측면에서 이러한 전략의 성능을 평가하기 위해.
• 무작위 및 독립적 위상 이득 모델을 각각 하한 및 상한으로 사용하여 성능 경계를 수립하기 위해.

제안 방법

• 수동 무손실 요소의 에너지 보존 및 경계 조건을 충족시키는 전자기 이론 기반의 상관된 T&R 위상 이득 모델을 제안한다.
• 물리적 제약 하에서 위상 이득를 관리하기 위한 세 가지 PSC 전략—PS-PSC(주요-보조), DP-PSC(다중성 유지), TR-PSC(T/R 그룹)—을 개발한다.
• 고신호대역비(SNR)에서의 교착 확률의 점근적 표현을 도출하기 위해 라플라스 변환과 PDF의 원점 근처에서의 테일러 전개를 사용하여 OMA 및 NOMA에 대한 점근적 교착 확률 표현을 유도한다.
• 고신호대역비에서 교착 확률의 점근적 행동을 분석하여 다중성 순서를 분석한다.
• DP-PSC의 경우 M² 스케일링, PS-PSC의 경우 M² 스케일링, 무작위 PSC의 경우 M 스케일링을 보여주는 전력 스케일링 법칙을 유도한다.
• 분석 결과를 시뮬레이션을 통해 검증하며, 복사 패턴 분석 및 전략 간 성능 비교를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상관된 T&R 위상 이득 모델은 실용적인 하드웨어 제약 조건 하에서 STAR-RIS 보조 시스템의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 실용적인 PSC 전략이 양측 사용자에게 완전한 다중성 순서를 달성할 수 있는가?
• RQ3 제안된 PSC 전략의 전력 스케일링 법칙은 독립적 위상 이득 모델 및 무작위 구성과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 직접 링크의 존재가 다중성 순서 및 교착 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 모델 하에서 NOMA는 OMA 대비 어떤 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• DP-PSC 전략은 직접 링크가 충분히 강력할 경우(η ≥ 0.5), 양측 사용자에게 완전한 다중성 순서(M+1)를 달성한다.
• DP-PSC 전략은 독립적 위상 이득 모델과 동일한 다중성 순서를 달성하여 다중성 이득 측면에서 최적임을 확인한다.
• DP-PSC 전략은 M² 스케일링 법칙을 보이며, 독립적 위상 이득 모델의 성능 상한선과 일치한다.
• DP-PSC 전략은 상한선 대비 약 4 dB의 전력 손실만을 경험하며, 10 log₁₀(4/π²) ≈ -3.9 dB의 손실을 기록한다.
• 수치 결과는 NOMA를 OMA 대비 사용할 경우 성능 향상이 있음을 확인하며, 특히 DP-PSC 전략 하에서 두드러진다.
• 무작위 PSC 전략은 단지 M 스케일링을 보이며, M을 15에서 30으로 두 배로 늘일 경우 DP-PSC의 10 dB 대비 약 5 dB의 전력 이득을 기록한다.