[论文解读] Downlink Analysis for Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided NOMA Networks

Chao Zhang, Wenqiang Yi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的可重构智能表面（RIS）辅助非正交多址（NOMA）下行链路网络分析，采用距离乘积路径损耗模型和泊松簇过程建模RIS反射信道。推导了闭式覆盖概率表达式，表明RIS通过改善被阻塞用户的信道条件并实现动态逐次干扰 cancellation（SIC）排序，显著提升了频谱效率和用户公平性，优于传统NOMA和OMA系统。

ABSTRACT

By activating blocked users and altering successive interference cancellation (SIC) sequences, reconfigurable intelligent surfaces (RISs) become promising for enhancing non-orthogonal multiple access (NOMA) systems. This work investigates the downlink performance of RIS-aided NOMA networks via stochastic geometry. We first introduce the unique path loss model for RIS reflecting channels. Then, we evaluate the angle distributions based on a Poisson cluster process (PCP) framework, which theoretically demonstrates that the angles of incidence and reflection are uniformly distributed. Lastly, we derive closed-form expressions for coverage probabilities of the paired NOMA users. Our results show that 1) RIS-aided NOMA networks perform better than the traditional NOMA networks; 2) the SIC order in NOMA systems can be altered since RISs are able to change the channel gains of NOMA users.

研究动机与目标

• 使用随机几何方法分析RIS辅助NOMA网络在真实多小区部署下的下行链路性能。
• 为适用于远距离、室外场景的RIS反射链路推导合适的路径损耗模型。
• 研究基站、RIS与用户之间夹角的空间分布，以验证均匀性假设。
• 推导在RIS辅助下配对NOMA用户覆盖概率的闭式表达式。
• 评估RIS辅助NOMA相较于传统NOMA和RIS辅助OMA在覆盖性能与SIC排序灵活性方面的增益。

提出的方法

• 采用泊松簇过程（PCP）建模用户与基站的空间聚类，以捕捉真实世界的网络部署特征。
• 基于入射与反射路径距离的乘积，提出适用于远距离室外通信的RIS反射链路路径损耗模型，并加以验证。
• 利用PCP框架分析基站-RIS-用户链路之间的夹角分布，并证明其在[0, π]区间内服从均匀分布。
• 通过拉普拉斯变换与矩生成函数技术，推导典型用户与关联NOMA用户的覆盖概率闭式表达式。
• 采用归一化伽马变量的上界估计与近似方法，实现对干扰受限场景的可 tractable（可处理）分析。
• 通过数值仿真验证分析结果，比较不同信噪比、基站密度与RIS尺寸下RIS辅助NOMA、传统NOMA与RIS辅助OMA的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在远距离、室外场景中，RIS反射链路的路径损耗特性如何？
• RQ2 在簇状网络中，基站-RIS-用户之间形成的夹角具有何种统计分布？
• RQ3 RIS如何影响下行多小区环境中NOMA用户的覆盖概率？
• RQ4 RIS能否动态改变NOMA系统中的逐次干扰取消（SIC）顺序以提升性能？
• RQ5 与传统NOMA和RIS辅助OMA相比，RIS辅助NOMA在性能上有哪些增益？

主要发现

• RIS反射链路的路径损耗模型与入射距离和反射距离的乘积成正比，适用于远距离室外部署。
• RIS辅助NOMA网络中入射角与反射角在[0, π]区间内服从均匀分布，验证了分析中采用各向同性散射假设的合理性。
• RIS辅助NOMA的覆盖概率显著高于传统NOMA，尤其对典型（远距离）用户，得益于信道增益的提升与中断概率的降低。
• 通过调整信道增益，RIS可重新配置NOMA中的SIC顺序，使主用户避免冗余的SIC处理，降低中断风险。
• 增加RIS长度可提升覆盖性能，原因在于相位控制能力增强与信号反射增益提高，其中3米RIS优于0.75米与1.5米版本。
• 更高的路径损耗指数（如α = 4）会降低覆盖性能，表明路径损耗指数与系统性能呈负相关。