[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface Enhanced NOMA Assisted Backscatter Communication System

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种可重构智能表面（RIS）增强的非正交多址接入（NOMA）背散射通信系统，通过联合优化功率反射系数和RIS相位移，以最大化系统和速率。采用交替优化框架结合连续凸逼近与流形优化，所提算法在频谱效率方面表现优越，并在较大RIS孔径尺寸下显著优于基准方案。

ABSTRACT

A reconfigurable intelligent surface (RIS) enhanced non-orthogonal multiple access assisted backscatter communication (RIS-NOMABC) system is considered. A joint optimization problem over power reflection coefficients and phase shifts is formulated. To solve this non-convex problem, a low complexity algorithm is proposed by invoking the alternative optimization, successive convex approximation and manifold optimization algorithms. Numerical results corroborate that the proposed RIS-NOMABC system outperforms the conventional non-orthogonal multiple access assisted backscatter communication (NOMABC) system without RIS, and demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed algorithm.

研究动机与目标

• 解决传统背散射通信系统中覆盖范围有限和频谱效率低下的问题。
• 通过集成RIS与NOMA技术，提升背散射网络的系统和速率。
• 在服务质量约束下，联合优化背散射设备的功率反射系数与RIS的相位移。
• 设计一种低复杂度算法，求解由联合设计引发的非凸优化问题。

提出的方法

• 建立一个在最小服务质量约束下最大化系统和速率的非凸优化问题。
• 应用交替优化方法，将功率反射系数与RIS相位移的联合设计解耦。
• 采用连续凸逼近（SCA）技术，将非凸子问题迭代逼近为凸问题。
• 利用流形优化方法，在单位球面上高效求解相位移子问题。
• 结合定理1，推导在给定相位移下的最优功率反射系数。
• 迭代更新变量直至收敛，确保以低计算成本获得高质量解。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS的集成是否能显著提升NOMA辅助背散射通信系统的和速率？
• RQ2 功率反射系数与RIS相位移的联合优化如何影响系统性能？
• RQ3 与基准方案（如PSDP-RIS与Random-RIS）相比，所提算法的性能增益如何？
• RQ4 RIS单元数量与发射功率对系统和速率的影响如何？

主要发现

• 所提出的RIS-NOMABC系统相比无RIS的常规NOMABC系统，和速率显著提升，尤其在较大RIS孔径尺寸下优势更明显。
• 当RIS单元数为50、发射功率为40 dBm时，所提算法相比NOMABC-noRIS基准方案，和速率增益超过30%。
• 系统和速率随RIS反射单元数与发射功率的增加而提升，验证了RIS-NOMABC设计的可扩展性。
• 在所有仿真场景中，所提算法均优于PSDP-RIS与Random-RIS基准方案，证实了其有效性。
• 相位移与功率反射系数的联合优化带来显著的频谱效率增益，验证了RIS与NOMA在背散射系统中协同增益的有效性。