[论文解读] Queue-Aware STAR-RIS Assisted NOMA Communication Systems

Nannan Zhang, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种队列感知的STAR-RIS辅助NOMA系统，通过使用李雅普诺夫漂移理论建立队列加权和速率（QWSR）最大化问题，以确保长期稳定性。该系统联合优化了NOMA解码顺序、基站的主动波束成形以及STAR-RIS的被动传输/反射系数，适用于三种协议——能量分割、模式切换和时分切换。在时分切换协议下，系统在QWSR和平均队列长度方面均表现出优越性能。

ABSTRACT

In this paper, the queue-aware simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RIS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) communication system is investigated to ensure the system stability, where the long-term stability-oriented problem is reformulated to maximize the per-slot queue-weighted sum rate (QWSR) of users based on the Lyapunov drift theory. By jointly optimizing the NOMA decoding order, the active beamforming coefficients at the BS, and the passive transmission and reflection coefficients at the STAR-RIS, three STAR-RIS operating protocols are considered, namely energy splitting (ES), mode switching (MS), and time switching (TS). For ES, the blocked coordinate descent and the successive convex approximation methods are invoked to handle the highly-coupled and non-convex problem. For MS, the proposed algorithm is further extended to a penalty-based two-loop algorithm to solve the binary amplitude constrained problem. For TS, the formulated problem is decomposed into two subproblems, each of which can be solved in a similar manner to ES. Simulation results show that: i) our proposed STAR-RIS assisted NOMA communication achieves better performance than the conventional schemes; ii) the reformulated QWSR maximization problem confirms the system stability; and iii) TS achieves superior performance with respect to both the QWSR and the average queue length.

研究动机与目标

• 为解决在无限时间范围内STAR-RIS辅助NOMA系统中确保长期系统稳定性的挑战。
• 设计一种队列加权和速率（QWSR）最大化框架，根据基站处的队列长度动态优先处理用户。
• 在三种工作协议——能量分割、模式切换和时分切换——下，联合优化NOMA解码顺序、基站的主动波束成形以及STAR-RIS的被动系数。
• 为每种协议开发高效的迭代算法，以求解非凸且高度耦合的优化问题，尤其针对模式切换中的二元振幅约束。
• 通过大量仿真验证所提方案在频谱效率和队列稳定性方面的优越性。

提出的方法

• 利用李雅普诺夫漂移理论，将长期稳定性问题转化为逐时隙的QWSR最大化问题，其中用户速率权重与其队列长度成正比。
• 引入队列加权和速率（QWSR）度量，优先处理队列较长的用户，以提升公平性与稳定性。
• 对于能量分割（ES），采用块坐标下降法与连续凸逼近法，迭代优化波束成形与STAR-RIS系数，以处理耦合的非凸问题。
• 对于模式切换（MS），将算法扩展为基于惩罚的两层迭代方法，以处理二元振幅约束。
• 对于时分切换（TS），将问题分解为两个子问题——发射模式与反射模式，每个子问题的求解方式与ES情况类似。
• 采用交替优化与凸松弛技术，确保解的收敛性与实际可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有动态用户流量和无限时间范围的STAR-RIS辅助NOMA系统中，如何保证系统稳定性？
• RQ2 在基站处队列长度不同的NOMA系统中，最优的用户优先级策略是什么？
• RQ3 不同的STAR-RIS工作协议——能量分割、模式切换和时分切换——如何影响NOMA系统在QWSR和队列稳定性方面的性能？
• RQ4 联合优化NOMA解码顺序、主动波束成形与被动STAR-RIS系数对系统性能有何影响？
• RQ5 所提出的迭代算法是否能在非凸且高度耦合的优化问题下收敛至稳定且高性能的解？

主要发现

• 所提出的QWSR最大化框架通过根据队列长度动态加权用户速率，成功实现了长期系统稳定性。
• 时分切换（TS）协议在三种协议中实现了最高的队列加权和速率（QWSR）和最低的平均队列长度。
• 基于连续凸逼近与块坐标下降法的所提出迭代算法，其每轮迭代的和速率单调递增，证明了其收敛至稳定解。
• 采用STAR-RIS与NOMA的系统在频谱效率与队列稳定性方面均优于传统方案，尤其在高用户流量下表现更优。
• 联合优化NOMA解码顺序、主动波束成形与被动STAR-RIS系数相比固定或次优配置，带来了显著的性能增益。
• 理论分析证实，最优波束成形矩阵为秩一，确保了实际且节能的传输。