[论文解读] Coverage Characterization of STAR-RIS Networks: NOMA and OMA

Chenyu Wu, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 11被引用 5

一句话总结

本文提出在STAR-RIS网络中联合优化资源分配与通射系数，以最大化NOMA和OMA系统的总覆盖范围。通过将非凸约束转化为凸形式并采用一维搜索，实现了显著的覆盖增益——与传统RIS相比，覆盖范围近乎翻倍，其中NOMA因复 multiplexing gain 和增强的信道差异性而获得更大的性能增益。

ABSTRACT

The novel concept of simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) is investigated, where incident signals can be transmitted and reflected to users located at different sides of the surface. In particular, the fundamental coverage range of STAR-RIS aided two-user communication networks is studied. A sum coverage range maximization problem is formulated for both non-orthogonal multiple access (NOMA) and orthogonal multiple access (OMA), where the resource allocation at the access point and the transmission and reflection coefficients at the STAR-RIS are jointly optimized to satisfy the communication requirements of users. For NOMA, we transform the non-convex decoding order constraint into a linear constraint and the resulting problem is convex, which can be optimally solved. For OMA, we first show that the optimization problem for given time/frequency resource allocation is convex. Then, we employ the one dimensional search-based algorithm to obtain the optimal solution. Numerical results reveal that the coverage can be significantly extended by the STAR-RIS compared with conventional RISs.

研究动机与目标

• 表征STAR-RIS辅助的两用户网络的基本覆盖范围。
• 通过同时传输与反射，解决传统RIS仅支持半空间覆盖的局限，实现全空间覆盖。
• 针对NOMA与OMA，联合优化接入点（AP）的资源分配与STAR-RIS的通射系数。
• 在满足各用户服务质量（QoS）要求的前提下，最大化总覆盖范围。
• 评估STAR-RIS相较于传统RIS的性能增益，以及NOMA相较于OMA在扩展覆盖范围方面的优越性。

提出的方法

• 针对NOMA与OMA，构建总覆盖范围最大化问题，联合优化AP的资源分配与STAR-RIS的系数。
• 将NOMA中的非凸解码顺序约束转化为线性约束，使问题变为凸优化问题，可利用CVX等凸优化工具求解。
• 对于OMA，固定时频资源分配，构建凸子问题，通过在功率分割比上进行一维搜索求解。
• 建模信道为Rician衰落，包含视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）分量，适用于AP至RIS与RIS至用户链路。
• 采用坐标系，将AP置于原点，STAR-RIS置于(50,0)米处，设置M=100个单元，并设定合理的路径损耗与信噪比（SNR）参数。
• 通过数值仿真，在相同条件下对比STAR-RIS与传统RIS（仅反射与仅传输）的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在两用户下行链路网络中，STAR-RIS相较于传统RIS如何提升覆盖范围？
• RQ2 当与STAR-RIS结合时，NOMA相较于OMA在扩展覆盖范围方面的性能增益如何？
• RQ3 资源分配与STAR-RIS系数的联合优化如何影响总覆盖范围？
• RQ4 信道差异性在提升NOMA性能方面扮演何种角色？
• RQ5 RIS单元数量如何影响NOMA与OMA系统中可实现的覆盖范围？

主要发现

• 与传统RIS相比，STAR-RIS的覆盖范围近乎翻倍，在NOMA与OMA系统中均实现了显著的STAR增益。
• 对于NOMA，当覆盖分配不对称（即μk接近0或1）时，相较于OMA的性能增益最为显著，主要得益于增强的复 multiplexing gain。
• NOMA与STAR-RIS的结合形成双赢局面，随着RIS单元数（M）增加，NOMA的增益也持续提升。
• 当M增大时，STAR-RIS相较于传统RIS的增益更加显著，尤其在NOMA系统中。
• 在用户QoS要求为5 bps/Hz时，STAR-RIS结合NOMA的覆盖范围对(Dt, Dr)相较于传统RIS提升了近两倍。
• 在NOMA系统中，STAR-RIS的总覆盖范围（D0）显著大于OMA系统，尤其当T用户QoS要求（γt）提高时更为明显。