[논문 리뷰] Uplink NOMA For STAR-RIS Networks

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 7인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 총 전력 소비를 최소화하기 위해 사용자 전송 전력, 기지국 수신 beamforming, STAR-RIS 전송/반사 beamforming, 그리고 시간 분할 할당을 공동으로 최적화하는 동시에 전방향 재구성 가능 지능형 표 superf Olympian (STAR-RIS)을 동시에 전송 및 반사하는 데 활용한 새로운 업링크 비직교 다중접근(NOMA) 시스템을 제안한다. 보상 기반 교대 최적화(P-AltOp) 알고리즘을 개발하여 다중 사용자 업링크 환경에서 뛰어난 전력 절감 효과와 완전한 공간 커버리지를 달성한다.

ABSTRACT

A simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) enhanced uplink non-orthogonal multiple access (NOMA) communication system is proposed. A total power consumption minimization problem is formulated by jointly optimizing the transmit-power of users, receive-beamforming vectors at the base station (BS), STAR-beamforming vectors at the STAR-RIS and time slots. Here, the STAR-beamforming introduced by STAR-RIS consists of transmission- and reflection-beamforming. To solve the formulated non-convex problem, an efficient penalty-based alternating optimization (P-AltOp) algorithm is proposed. Simulation results validate the effectiveness of the proposed scheme and reveal the effect of various system parameters on the total power consumption.

연구 동기 및 목표

• 기존 반사 전용 RIS의 커버리지 한계를 해결하기 위해 전체 공간 360° 통신을 가능하게 하는 STAR-RIS를 도입한다.
• STAR-RIS를 갖춘 업링크 NOMA의 총 전력 소비를 최소화하기 위한 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록성 문제를 해결하기 위해 새로운 보상 기반 교대 최적화(P-AltOp) 알고리즘을 제안한다.
• 업링크 NOMA 시스템에서 동시에 전송과 반사를 가능하게 하여 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시킨다.
• 다중 안테나 업링크 시스템에서 수신 beamforming과 STAR-beamforming의 통합 설계 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 사용자 전송 전력, 기지국 수신 beamforming, STAR-RIS 전송 및 반사 beamforming, 시간 분할 할당을 포함하는 비볼록 총 전력 최소화 문제를 수립한다.
• 비볼록 제약 조건을 처리하면서 사용자 전력, beamforming 벡터, 시간 할당을 반복적으로 최적화하는 보상 기반 교대 최적화(P-AltOp) 알고리즘을 도입한다.
• 공동 최적화 문제를 하위 문제들로 분해: 사용자 전력, 수신 beamforming, STAR-beamforming로 나누며, 제약 조건 완화를 위한 보상 항을 포함한다.
• 시간 분할(TS) 프로토콜을 사용하여 반사 및 전송 모드를 번갈아가며 사용하며, 시간 할당 $ \tau $ 를 최적화 변수로 설정한다.
• 반사(R) 및 전송(T) 사용자에 대한 신호 모델을 수립하고, NOMA 디코딩을 위해 기지국에서 순차 간섭 제거(SIC)를 적용한다.
• SINR 기반 전력 할당과 QoS 제약 조건을 적용하여 모든 사용자의 최소 요구 속도를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STAR-RIS는 업링크 NOMA 시스템에 어떻게 효과적으로 구현되어 전체 공간 커버리지와 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 다중 안테나 기지국을 갖춘 STAR-RIS 기반 업링크 NOMA에서 총 시스템 전력 소비를 최소화하는 공동 최적화 프레임워크는 무엇인가?
• RQ3 반사 및 전송 모드 간의 시간 분할 비율이 시스템 전력 효율성과 사용자 QoS에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전력 및 서비스 품질 제약 조건 하에서 STAR-RIS의 전송 및 반사 beamforming 최적 설계는 무엇인가?
• RQ5 보상 기반 교대 최적화 알고리즘이 이 새로운 시스템 모델의 비볼록 공동 최적화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 P-AltOp 알고리즘은 효율적으로 수렴하며 기존 방법에 비해 뚜렷한 총 전력 절감 효과를 보였다.
• 각 사용자에 대한 최적 전송 전력은 개별 QoS 제약 조건을 충족시키기 위한 최소값임을 입증하여 해의 최적성을 입증하였다.
• 최소 합산 전력 $ \tilde{P}_{\text{sum}}^{q,\text{min}}(\tau) $ 는 시간 분할 비율 $ \tau $ 의 함수로 유도되었으며, QoS 요구 조건을 충족시키기 위해 $ \tau $ 의 하한선이 존재한다.
• 모든 사용자가 자신의 속도 목표를 달성하기 위해 $ \tau > \tau^{\text{min}} = \frac{R_{q,k}^{\text{min}}}{\tilde{R}_{q,k}} $ 를 만족시켜야 한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방식이 공동 beamforming과 시간 분할을 활용하여 전체 공간 커버리지를 달성하고 총 전력 소비를 감소시킴을 검증하였다.
• 시스템 성능는 시간 분할 비율에 민감하며, 반사 및 전송 모드를 균형 있게 조절할 수 있도록 $ \tau $ 가 정밀하게 튜닝될 때 최적 성능를 달성한다.