[論文レビュー] STAR-RIS-NOMA Networks: An Error Performance Perspective

Mahmoud Aldababsa, Aymen Khaleel+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、両側の非直交ユーザーを同時にサービス提供できる、同時送信および反射が可能な再構成可能インテリジェントサーフェス（STAR-RIS）を活用したSTAR-RIS-NOMAネットワークを提案する。完全および不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）における閉形式のBER表現を用いて、研究では、10⁻³ BERにおける古典的NOMAと比較して最大29 dBのBERゲインを達成することが示され、高SNR領域では分岐ゲインを示し、SIC誤りに対しても高いロバスト性を示す。

ABSTRACT

This letter investigates the bit error rate (BER) performance of simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) in non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. In the investigated network, a STAR-RIS serves multiple non-orthogonal users located on either side of the surface by utilizing the mode switching protocol. We derive the closed-form BER expressions in perfect and imperfect successive interference cancellation cases. Furthermore, asymptotic analyses are also conducted to provide further insights into the BER behavior in the high signal-to-noise ratio region. Finally, the accuracy of our theoretical analysis is validated through Monte Carlo simulations. The obtained results reveal that the BER performance of STAR-RIS-NOMA outperforms that of the classical NOMA system, and STAR-RIS might be a promising NOMA 2.0 solution.

研究の動機と目的

• 完全および不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）条件下におけるSTAR-RIS-NOMAネットワークのビット誤り率（BER）性能を分析すること。
• STAR-RISの送信側および反射側に位置するユーザーの閉形式BER表現を導出すること。
• 高信号対雑音比（SNR）領域におけるBERの挙動を理解するために漸近的解析を実施すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて理論的結果を検証し、古典的NOMAシステムと性能を比較すること。
• RIS素子数、電力割り当て、SIC誤りがBER性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 統計的チャネルモデルを用いて、完全および不完全SIC下における2ユーザーSTAR-RIS-NOMAシステムの閉形式BER表現を導出する。
• STAR-RIS素子を送信側および反射側のユーザーに同時に割り当てるためのモードスイッチングプロトコルを適用する。
• 実用的な結合位相シフトモデルを用いて、信号の反射および透過を制御された振幅および位相で行う。
• 高SNR領域における分岐次数および誤りフロアの挙動を導出するための漸近的解析を実施する。
• 実際の路損および距離モデル（路損指数α=2）を用いたモンテカルロシミュレーションにより理論的結果を検証する。
• RIS素子数、電力割り当て係数、SIC誤りレベルを変化させた条件での性能評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じシステムパrameterを用いた場合、STAR-RIS-NOMAのBER性能は古典的NOMAと比べてどのように異なるか？
• RQ2 RIS素子数の増加が、送信領域および反射領域に位置するユーザーのBER性能に与える影響は何か？
• RQ3 不完全なSICおよび電力割り当て係数が、STAR-RIS-NOMAシステムのBER性能に与える影響は何か？
• RQ4 STAR-RIS-NOMAユーザーの高SNR領域における分岐ゲインおよび誤りフロアの挙動は何か？
• RQ5 ユーザーの位置（基地局およびRISからの距離）がBER性能および電力割り当てへの感受性に与える影響は何か？

主な発見

• 75個のRIS素子を用いた場合、BERが10⁻³に達する地点で、古典的NOMAと比較して最大29 dBのBERゲインを達成し、顕著な性能向上を示す。
• 完全SICの場合、STAR-RIS-NOMAのユーザーは分岐ゲインを達成するが、不完全SICの場合、BER性能は劣化し、高SNR領域で誤りフロアに達する。
• 遠距離ユーザー（U₂）はSIC誤りに対してより感受性が高く、近距離ユーザー（U₁）への電力割り当てを増やすことでSIC誤り率を低下させることで、U₂のBER性能が向上する。
• ユーザーU₁はRIS素子数の変化よりも電力割り当ての変化に対して感受性が高く、電力割り当て係数を0.1増加させることで、BER=10⁻³を維持するためのRIS素子数を13個削減できる。
• 3ユーザー系におけるユーザーU₃（反射領域に位置）は、相互干渉を受けることがなく、BER誤りフロアを回避するが、送信領域に位置するユーザーとは異なり、同様の問題を抱える。
• 完全および不完全SICの両ケースに対して導出した理論的BER表現は、モンテカルロシミュレーション結果と完全に一致し、解析モデルの妥当性が検証された。