[论文解读] A Simple Multiple-Access Design for Reconfigurable Intelligent Surface-Aided Systems

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

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于机会反射的非正交多址接入（OR-NOMA）方案，这是一种适用于智能反射面（RIS）辅助多用户系统的低复杂度、高性能多址接入方案。通过选择信道增益最强的用户进行RIS反射波束成形优化，并与第二个用户实现非正交传输，OR-NOMA在实现接近联合优化性能的同时，将复杂度降低了四个数量级；而采用随机相位的变体则完全避免了信道状态信息（CSI）开销，且性能优于机会波束成形方案。

ABSTRACT

This paper focuses on the design of transmission methods and reflection optimization for a wireless system assisted by a single or multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs). The existing techniques are either too complex to implement in practical systems or too inefficient to achieve high performance. To overcome the shortcomings of the existing schemes, we propose a simple but efficient approach based on extit{opportunistic reflection} and extit{non-orthogonal transmission}. The key idea is opportunistically selecting the best user that can reap the maximal gain from the optimally reflected signals via RIS. That is to say, only the channel state information of the best user is used for RIS reflection optimization, which can in turn lower complexity substantially. In addition, the second user is selected to superpose its signal on that of the primary user, where the benefits of non-orthogonal transmission, i.e., high system capacity and improved user fairness, are obtained. Additionally, a simplified variant exploiting random phase shifts is proposed to avoid the high overhead of RIS channel estimation.

研究动机与目标

• 解决现有RIS辅助多址接入方案在多用户、多RIS系统中复杂度高、效率低的问题。
• 通过仅利用最优用户信道状态信息（CSI），降低RIS反射波束成形优化的计算负担。
• 实现高效的非正交多址接入，提升频谱效率与用户公平性。
• 提出一种实用的变体，采用随机相位偏移以完全消除昂贵的RIS信道估计算法需求。

提出的方法

• 机会用户选择：选择有效信道增益最强的用户用于RIS反射波束成形优化。
• 仅基于所选用户的CSI优化RIS反射系数，显著降低反馈与计算开销。
• 采用非正交多址接入（NOMA）：第二个用户在其主用户信号上叠加传输，以获得复 multiplexing 增益。
• 简化变体OR-NOMA-RP在RIS上使用随机相位偏移，完全避免CSI估计算法。
• 在接收端采用连续干扰消除（SIC）技术解码两个叠加信号。
• 在3GPP城市微（UMi）和Nakagami-m衰落等实际无线信道条件下，通过蒙特卡洛仿真评估系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅利用部分CSI信息，能否实现低复杂度多址接入方案，并在RIS辅助多用户系统中实现接近最优的性能？
• RQ2 与正交方案相比，机会用户选择结合NOMA如何提升频谱效率与用户公平性？
• RQ3 OR-NOMA与联合反射波束成形（JRO）和机会波束成形（OppBF）相比，在性能与复杂度之间存在怎样的权衡？
• RQ4 RIS上使用随机相位偏移能否作为基于CSI优化的实用替代方案，且性能损失极小？
• RQ5 在相位噪声和信道老化等硬件非理想条件下，OR-NOMA的性能表现如何？

主要发现

• OR-NOMA在性能上接近理论最优的联合反射波束成形（JRO），同时将计算复杂度降低了四个数量级。
• OR-NOMA的平均CPU运行时间仅为每信道快照1.43毫秒，而JRO高达23,900毫秒，表明JRO在实时应用中不可行。
• 在无CSI信息条件下，OR-NOMA-RP（采用随机相位）相比OppBF实现约5 dB的SNR增益，证明其对信道估计算法开销具有强鲁棒性。
• 所有多用户方案均因复 multiplexing 增益优于单用户传输，且OR-NOMA显著优于TDMA和OUS方案。
• 所提方案在有限反馈与硬件受限条件下仍能保持高谱效率与用户公平性。
• OR-NOMA在3GPP城市微（UMi）和Nakagami-m衰落等实际衰落与路径损耗模型下表现出强鲁棒性。