[论文解读] Joint Design for Simultaneously Transmitting And Reflecting (STAR) RIS Assisted NOMA Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 38被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新型的STAR-RIS-NOMA系统，通过联合优化解码顺序、功率分配、波束成形以及透射/反射波束成形，以最大化系统容量。针对非凸问题，设计了一种两层迭代算法，在全空间覆盖场景下，相较于传统的RIS-NOMA和RIS-OMA系统，显著提升了频谱效率。

ABSTRACT

Different from traditional reflection-only reconfigurable intelligent surfaces (RISs), simultaneously transmitting and reflecting RISs (STAR-RISs) represent a novel technology, which extends the half-space coverage to full-space coverage by simultaneously transmitting and reflecting incident signals. STAR-RISs provide new degrees-of-freedom (DoF) for manipulating signal propagation. Motivated by the above, a novel STAR-RIS assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) (STAR-RIS-NOMA) system is proposed in this paper. Our objective is to maximize the achievable sum rate by jointly optimizing the decoding order, power allocation coefficients, active beamforming, and transmission and reflection beamforming. However, the formulated problem is non-convex with intricately coupled variables. To tackle this challenge, a suboptimal two-layer iterative algorithm is proposed. Specifically, in the inner-layer iteration, for a given decoding order, the power allocation coefficients, active beamforming, transmission and reflection beamforming are optimized alternatingly. For the outer-layer iteration, the decoding order of NOMA users in each cluster is updated with the solutions obtained from the inner-layer iteration. Moreover, an efficient decoding order determination scheme is proposed based on the equivalent-combined channel gains. Simulation results are provided to demonstrate that the proposed STAR-RIS-NOMA system, aided by our proposed algorithm, outperforms conventional RIS-NOMA and RIS assisted orthogonal multiple access (RIS-OMA) systems.

研究动机与目标

• 为解决传统RIS的半空间覆盖限制，提出STAR-RIS-NOMA系统，实现全空间信号调控。
• 通过联合优化解码顺序、功率分配、波束成形以及透射/反射波束成形，最大化系统容量。
• 采用次优的两层迭代算法，克服变量高度耦合导致的非凸性问题。
• 证明STAR-RIS-NOMA系统在频谱效率与公平性方面优于传统的RIS-NOMA与RIS-OMA系统。

提出的方法

• 提出两层迭代算法：内层在固定解码顺序下，交替优化功率分配、波束成形以及透射/反射波束成形。
• 基于等效合并信道增益设计解码顺序确定方案，提升收敛性与系统性能。
• 应用拉格朗日对偶与KKT条件求解内层的凸子问题，确保在功率与服务质量约束下实现最优波束成形。
• 施加秩一约束，并采用半定松弛方法处理非凸波束成形优化，通过特征分解实现秩恢复。
• 推导出在最小服务质量约束下的最优功率分配闭式表达式，优先为信道增益较弱的用户分配最小功率，其余功率分配给最强用户，以最大化频谱效率。
• 采用带拉格朗日乘子的对偶问题公式化方法求解波束成形优化，实现零对偶间隙，确保收敛至最优解。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将STAR-RIS集成到NOMA系统中，以提升频谱效率与覆盖范围？
• RQ2 何种联合优化框架可最大化STAR-RIS-NOMA系统中耦合变量下的容量？
• RQ3 所提出的基于等效信道增益的解码顺序确定方案如何提升系统性能？
• RQ4 STAR-RIS-NOMA相较于传统RIS-NOMA与RIS-OMA系统在性能上有哪些增益？
• RQ5 在非凸约束下，两层迭代算法在多大程度上能收敛至近优解？

主要发现

• 所提出的STAR-RIS-NOMA系统因具备全空间信号调控能力，其容量高于传统RIS-NOMA与RIS-OMA系统。
• 两层迭代算法收敛迅速，能为非凸联合优化问题提供近优解。
• 最优功率分配策略优先为等效信道增益较弱的用户分配最小功率，其余功率集中分配给信道最强用户，从而最大化频谱效率。
• 基于等效合并信道增益的解码顺序显著提升系统性能，其用户排序与有效信道质量高度匹配。
• 通过拉格朗日对偶分解实现的波束成形优化，确保零对偶间隙，收敛至最优解。
• 仿真结果表明，STAR-RIS-NOMA在容量与公平性方面均优于基准方案，尤其在直射链路较差的场景下优势显著。