[论文解读] MIMO-NOMA Networks Relying on Reconfigurable Intelligent Surface: A Signal Cancellation Based Design

Tianwei Hou, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 44被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于信号 cancellation（SCB）的可重构智能表面（RIS）被动波束成形设计，用于MIMO-NOMA网络，通过利用RIS消除用户间簇间干扰，实现无干扰用户配对。主要贡献在于对中断概率、频谱效率和能量效率的闭式分析，表明当RIS元素足够多时可完全消除簇间干扰，且在异常反射场景下无需Line-of-Sight（LoS）链路。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) technique stands as a promising signal enhancement or signal cancellation technique for next generation networks. We design a novel passive beamforming weight at RISs in a multiple-input multiple-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) network for simultaneously serving paired users, where a signal cancellation based (SCB) design is employed. In order to implement the proposed SCB design, we first evaluate the minimal required number of RISs in both the diffuse scattering and anomalous reflector scenarios. Then, new channel statistics are derived for characterizing the effective channel gains. In order to evaluate the network's performance, we derive the closed-form expressions both for the outage probability (OP) and for the ergodic rate (ER). The diversity orders as well as the high-signal-to-noise (SNR) slopes are derived for engineering insights. The network's performance of a finite resolution design has been evaluated. Our analytical results demonstrate that: i) the inter-cluster interference can be eliminated with the aid of large number of RIS elements; ii) the line-of-sight of the BS-RIS and RIS-user links are required for the diffuse scattering scenario, whereas the LoS links are not compulsory for the anomalous reflector scenario.

研究动机与目标

• 解决MIMO-NOMA网络中多个用户共享同一资源块时产生的簇间干扰问题。
• 克服先前基于ZF和SA的波束成形设计中要求接收天线数多于发射天线数的局限性。
• 在RIS上设计一种新型被动波束成形策略，实现信号抵消而非信号增强，从而提升频谱效率与能量效率。
• 分析所提出的SCB设计在中断概率、频谱效率、分集增益和能量效率方面的性能。
• 确定RIS所需最小元素数，并研究RIS部署方式（LoS与非LoS）对系统性能的影响。

提出的方法

• 在RIS上提出一种基于信号抵消（SCB）的被动波束成形设计，以在MIMO-NOMAA系统中消除簇间干扰。
• 通过将RIS建模为漫反射体或异常反射体，推导有效信道增益的新信道统计特性。
• 利用不完全伽马函数和指数积分函数，推导出中断概率（OP）和频谱效率（ER）的闭式表达式。
• 分析分集增益与高信噪比（SNR）斜率，为系统性能扩展提供工程洞察。
• 评估有限分辨率RIS设计，以评估实际部署中的权衡。
• 在用户端采用连续干扰消除（SIC），并利用信道状态信息（CSI）对齐检测向量以实现干扰抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于RIS的被动波束成形是否能在不增加接收天线数的前提下，有效消除MIMO-NOMA网络中的簇间干扰？
• RQ2 在漫反射与异常反射场景下，实现有效簇间干扰抵消所需的RIS最小元素数是多少？
• RQ3 在不同RIS部署模型中，基站-RIS与RIS-用户链路之间是否存在LoS链路，如何影响系统性能？
• RQ4 所提出的SCB设计中，中断概率与频谱效率的闭式表达式是什么？
• RQ5 RIS元素数量与分辨率（位数）如何影响系统能量效率（EE）及最优部署？

主要发现

• 当RIS元素数量足够多时，簇间干扰可被有效消除，从而实现可靠的MIMO-NOMA传输。
• 在漫反射场景中，基站与RIS之间、RIS与用户之间的LoS链路是实现有效信号抵消的必要条件。
• 在异常反射体场景中，LoS链路并非必需，提供了更高的部署灵活性。
• 所提出的SCB设计具有L阶分集增益，其中L为RIS元素数量，表明其在衰落环境中具有鲁棒性能。
• 能量效率（EE）随RIS元素数量的增加先上升后下降，这是由于残留干扰与开销增加所致，表明存在最优RIS元素数量。
• 更高分辨率的RIS（每个元素更多位数）可减少残留干扰并提升EE，且在高比特分辨率下性能趋于饱和。