[论文解读] Opportunistic Reflection in Reconfigurable Intelligent Surface-Assisted Wireless Networks

Wei Jiang, Hans D. Schotten|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2023

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering被引用 3

一句话总结

本文提出了一种名为机会式多用户反射（OMUR）的低复杂度多址接入方案，适用于多用户、多可重构智能表面（RIS）上行链路网络。OMUR 选择一个用户作为锚点以优化 RIS 相位偏移，并允许所有用户进行非正交传输，从而在最小开销下实现显著的频谱效率增益。简化版 OMUR-RP 采用随机相位偏移，在用户数量较多时性能与 OMUR 相当。

ABSTRACT

This paper focuses on multiple-access protocol design in a wireless network assisted by multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs). By extending the existing approaches in single-user or single-RIS cases, we present two benchmark schemes for this multi-user multi-RIS scenario. Inspecting their shortcomings, a simple but efficient method coined opportunistic multi-user reflection (OMUR) is proposed. The key idea is to opportunistically select the best user as the anchor for optimizing the RISs, and non-orthogonally transmitting all users' signals simultaneously. A simplified version of OMUR exploiting random phase shifts is also proposed to avoid the complexity of RIS channel estimation.

研究动机与目标

• 解决多用户、多可重构智能表面（RIS）上行链路网络中缺乏高效多址接入协议的问题。
• 克服联合反射（JR）方案在同时为所有用户优化 RIS 相位时带来的高复杂度问题。
• 通过启用非正交多址接入（NOMA），在现有机会式反射（OR）和基准方案的基础上提升频谱效率。
• 通过提出随机相位偏移变体（OMUR-RP），减少对信道状态信息（CSI）获取的需求。
• 为 i.n.i.i.d. Nakagami-m 衰落信道下的中断概率提供理论性能边界。

提出的方法

• 提出两种基准方案：联合反射（JR）和机会式反射（OR），扩展了单用户和单 RIS 的方法。
• 提出 OMUR，通过选择一个用户作为锚点来优化 RIS 相位偏移，降低复杂度，同时支持所有用户同时进行非正交传输。
• 利用顺序统计和极值理论，推导出在 i.n.i.i.d. Nakagami-m 衰落信道下中断概率（OP）的闭式上界。
• 提出 OMUR-RP，一种简化版本，采用随机相位偏移以消除 CSI 估计开销。
• 采用端到端（E2E）信道模型，使用非同分布但独立（i.n.i.i.d.）的 Nakagami-m 衰落，以反映真实传播环境。
• 应用 [17] 中的理论边界和引理 2，推导出理想反射下中断概率的上界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户、多 RIS 上行链路系统中，如何在不产生禁止性计算成本的前提下高效优化 RIS 相位偏移？
• RQ2 在多 RIS 环境中启用非正交多址接入（NOMA）相比正交或单用户方案，能实现多大的性能增益？
• RQ3 在用户数量较多时，OMUR-RP 中使用随机相位偏移与基于 CSI 的 OMUR 性能匹配程度如何？
• RQ4 i.n.i.i.d. Nakagami-m 衰落信道如何影响中断概率？能否推导出性能分析的闭式表达式？
• RQ5 在联合与机会式 RIS 反射策略之间，频谱效率与计算复杂度之间的权衡是什么？

主要发现

• OMUR 通过在所有用户间启用非正交传输，在 OR 和 OppBF 基准方案上实现了显著的频谱效率增益。
• 当用户数量较大时（例如 K=20），OMUR-RP 的性能与 OMUR 无法区分，验证了随机相位偏移的有效性。
• JR 的计算复杂度比 OMUR 高四个数量级，使其在典型信道相干时间（10–100 ms）内难以用于实时应用。
• 通过极值理论和顺序统计推导出的中断概率理论边界与蒙特卡洛仿真结果高度吻合，证实了分析的准确性。
• OMUR 在独立和相关衰落场景下均优于 OR 和 OppBF，表明其对信道相关性的鲁棒性。
• 所提出的理想反射下中断概率的上界紧致且适用于具有 i.n.i.i.d. Nakagami-m 衰落的系统。