[论文解读] Modeling and Coverage Analysis for RIS-aided NOMA Transmissions in Heterogeneous Networks

Ziyi Xie, Wenqiang Yi+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的分析框架，用于可重构智能表面（RIS）辅助的非正交多址接入（NOMA）异构网络（HetNets），将RIS、基站（BS）和用户设备（UE）建模为泊松点过程。推导了链路分布、用户关联和SINR/速率覆盖概率的闭式表达式，表明RIS部署显著提升了速率覆盖性能，且存在最优的RIS-BS密度比，而RIS长度并非覆盖增益的决定性因素。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has been regarded as a promising tool to strengthen the quality of signal transmissions in non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. This article introduces a heterogeneous network (HetNet) structure into RIS-aided NOMA multi-cell networks. A practical user equipment (UE) association scheme for maximizing the average received power is adopted. To evaluate system performance, we provide a stochastic geometry based analytical framework, where the locations of RISs, base stations (BSs), and UEs are modeled as homogeneous Poisson point processes (PPPs). Based on this framework, we first derive the closed-form probability density function (PDF) to characterize the distribution of the reflective links created by RISs. Then, both the exact expressions and upper/lower bounds of UE association probability are calculated. Lastly, the analytical expressions of the signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) and rate coverage probability are deduced. Additionally, to investigate the impact of RISs on system coverage, the asymptotic expressions of two coverage probabilities are derived. The theoretical results show that RIS length is not the decisive factor for coverage improvement. Numerical results demonstrate that the proposed RIS HetNet structure brings significant enhancement in rate coverage. Moreover, there exists an optimal combination of RISs and BSs deployment densities to maximize coverage probability.

研究动机与目标

• 为解决高频段无线网络中因遮挡和信道条件较差导致的覆盖性能不佳问题。
• 将RIS辅助NOMA集成到异构网络（HetNets）中，以提升频谱效率和能量效率。
• 利用随机几何方法构建可 tractable 的分析模型，评估RIS、BS和UE随机部署下的系统性能。
• 推导用户关联概率、SINR和速率覆盖概率等关键性能指标的闭式表达式。
• 识别能够最大化网络覆盖的RIS和BS最优部署策略。

提出的方法

• 将RIS、BS和UE的位置建模为独立的齐次泊松点过程（PPPs），以实现随机可分析性。
• 通过积分变换和超几何函数，推导RIS反射链路距离分布的闭式概率密度函数（PDF）。
• 提出一种基于最大化平均接收功率的实用用户关联方案，区分直射视 Line-of-Sight（LoS）链路与RIS反射链路。
• 在考虑路径损耗和阴影衰落的前提下，推导用户关联至直射BS或RIS辅助链路的概率的确切与有界表达式。
• 推导在直射与RIS辅助传输模式下，信号干扰加噪声比（SINR）和速率覆盖概率的分析表达式。
• 通过渐近分析研究当RIS尺寸趋于无穷大时的覆盖性能，表明在大RIS规模下，RIS引起的干扰占主导地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS的部署如何影响RIS辅助NOMA HetNet中的用户关联概率？
• RQ2 RIS尺寸和部署密度对SINR与速率覆盖概率有何影响？
• RQ3 能否基于随机几何为RIS辅助NOMA在HetNets中建立闭式分析框架？
• RQ4 为最大化系统覆盖，RIS与BS部署密度之间存在何种最优权衡？
• RQ5 RIS长度是否显著影响覆盖增益，还是其他因素更为关键？

主要发现

• 所提出的RIS辅助NOMA HetNet结构相比传统网络，在速率覆盖概率方面实现了显著提升。
• 存在一个RIS与BS部署密度的最优组合，可使覆盖概率最大化，表明性能存在非单调的权衡关系。
• RIS长度并非覆盖增益的决定性因素；相反，部署密度和信道条件起着更为关键的作用。
• 随着RIS尺寸增大，覆盖概率趋近于由RIS干扰决定的极限值，此时噪声可忽略不计。
• 在大RIS规模下，渐近覆盖概率以闭式表达式推导得出，其依赖于RIS-BS和RIS-UE链路的路径损耗指数及阴影参数。
• 分析框架成功捕捉了RIS部署对系统性能的影响，数值结果验证了理论推导的强一致性。