[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface Aided NOMA Networks

Tianwei Hou, Yuanwei Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用 24

一句话总结

本文提出了一种可重构智能表面（RIS）辅助的非正交多址接入（NOMA）网络，以提升频谱效率和能量效率。通过优化RIS上的被动波束成形，系统实现了更优的中断概率和遍历速率性能，分析结果表明其在高信噪比（SNR）下的斜率为1，且在高RIS单元数场景下显著优于正交多址接入，尤其在高RIS元素配置下表现更优。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) constitute a promising performance enhancement for next-generation (NG) wireless networks in terms of enhancing both their spectrum efficiency (SE) and energy efficiency (EE). We conceive a system for serving paired power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) users by designing the passive beamforming weights at the RISs. In an effort to evaluate the network performance, we first derive the best-case and worst-case of new channel statistics for characterizing the effective channel gains. Then, we derive the best-case and worst-case of our closed-form expressions derived both for the outage probability and for the ergodic rate of the prioritized user. For gleaning further insights, we investigate both the diversity orders of the outage probability and the high-signal-to-noise (SNR) slopes of the ergodic rate. We also derive both the SE and EE of the proposed network. Our analytical results demonstrate that the base station (BS)-user links have almost no impact on the diversity orders attained when the number of RISs is high enough. Numerical results are provided for confirming that: i) the high-SNR slope of the RIS-aided network is one; ii) the proposed RIS-aided NOMA network has superior network performance compared to its orthogonal counterpart.

研究动机与目标

• 通过RIS辅助的NOMA技术提升下一代（NG）无线网络中的频谱效率（SE）和能量效率（EE）。
• 分析在Rician衰落信道下，配对功率域NOMA用户时RIS辅助NOMA系统的性能。
• 推导在最佳信道统计和最坏信道统计下中断概率和遍历速率的闭式表达式。
• 研究分集增益和高SNR斜率，以理解系统的鲁棒性与性能扩展特性。
• 评估系统的SE和EE，并与正交多址接入（OMA）方案进行对比。

提出的方法

• 提出一种下行链路RIS辅助的SISO-NOMA网络，其中RIS通过优化相位移实现信号的被动波束成形。
• 利用最佳情况和最坏情况近似方法，推导Rician衰落信道下的有效信道增益统计特性。
• 结合不完全伽马函数和二项式展开，推导中断概率和遍历速率的闭式表达式。
• 在高SNR区域采用渐近分析方法，近似中断概率和遍历速率，从而实现高SNR斜率的评估。
• 利用多项式定理和指数积分函数，推导最坏情况遍历速率的可计算表达式。
• 分析分集增益和高SNR斜率，以评估分集增益和频谱效率的扩展性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS的被动波束成形对NOMA用户的中断概率和遍历速率有何影响？
• RQ2 RIS单元数量如何影响系统的分集增益和高SNR斜率？
• RQ3 在频谱效率（SE）和能量效率（EE）方面，RIS辅助NOMA相比传统正交多址接入（OMA）的性能增益如何？
• RQ4 最佳情况和最坏情况的信道统计如何影响系统的性能边界？
• RQ5 RIS辅助NOMA网络的遍历速率在高SNR下的斜率是多少？这对频谱效率扩展意味着什么？

主要发现

• RIS辅助NOMA网络的高SNR斜率恰好为1，表明在高SNR下实现了最优的频谱效率扩展。
• 当RIS单元数量足够大时，中断概率的分集增益与基站（BS）-用户链路无关。
• 所提出的RIS辅助NOMA系统相比其正交多址接入（OMA）对应方案，实现了更优的网络性能。
• 通过多项式展开和指数积分函数，推导出最坏情况遍历速率的闭式表达式。
• 利用二项式展开和渐近分析，在高SNR区域近似了中断概率。
• 系统的频谱效率和能量效率通过理论推导并经数值结果验证，证实了RIS集成带来的性能增益。