[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided Multi-Cell NOMA Networks: A Stochastic Geometry Model

Chao Zhang, Wenqiang Yi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 41被引用 19

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的多小区非正交多址（NOMA）网络模型，该网络通过可重构智能表面（RIS）增强，利用泊松聚类过程分析用户覆盖概率与遍历速率。推导了覆盖概率与遍历速率的闭式表达式，表明RIS通过建立新的视 Line-of-Sight（LoS）链路并实现灵活的连续干扰消除（SIC）排序，提升了频谱效率，且随着RIS尺寸增大，性能趋于饱和。

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. The downlink RIS-aided NOMA networks are investigated 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) model, which theoretically demonstrates that the angles of incidence and reflection are uniformly distributed. Additionally, we derive closed-form analytical and asymptotic expressions for coverage probabilities of the paired NOMA users. Lastly, we derive the analytical expressions of the ergodic rate for both of the paired NOMA users and calculate the asymptotic expressions for the typical user. The analytical results indicate that 1) the achievable rates reach an upper limit when the length of RIS increases; 2) exploiting RISs can enhance the path loss intercept to improve the performance without influencing the bandwidth. Our results show that 1) RIS-aided NOMA networks have superior performance than the conventional NOMA networks, and 2) the SIC order in NOMA systems can be altered since RISs are able to change the channel quality of NOMA users.

研究动机与目标

• 通过随机几何方法对RIS辅助的多小区NOMA网络进行建模，以在真实传播条件下分析系统性能。
• 提出一种新颖的RIS反射信道路径损耗模型，同时考虑近场与远场场景下的入射与反射距离。
• 理论证明在泊松聚类过程（PCP）模型下，入射角与反射角呈均匀分布。
• 推导RIS辅助网络中NOMA用户覆盖概率与遍历速率的闭式表达式。
• 研究RIS部署如何改变信道质量，并实现灵活的连续干扰消除（SIC）排序。

提出的方法

• 采用泊松聚类过程（PCP）对RIS辅助NOMA网络进行建模，以捕捉基站与用户的空间聚类特性。
• 提出一种基于入射与反射距离乘积的RIS信道独特路径损耗模型，适用于远距离室外通信。
• 利用泊松点过程（PPP）的概率生成泛函（PGFL）推导其他基站干扰的拉普拉斯变换。
• 采用二项式展开近似方法建模Rician衰落信道分布，从而实现对信干噪比（SINR）的可 tractable 分析。
• 应用坎贝尔定理（Campbell’s theorem）与广义超几何函数计算期望干扰与覆盖概率。
• 通过矩生成函数近似方法，推导高信噪比（high-SNR）与大RIS条件下的遍历速率渐近表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于入射与反射距离之和或乘积的RIS路径损耗模型有何差异？哪种更适用于室外多小区场景？
• RQ2 在泊松聚类过程模型下，RIS辅助NOMA网络中入射角与反射角的分布特性如何？
• RQ3 RIS部署如何影响多小区环境中NOMA用户的覆盖概率？
• RQ4 RIS辅助网络中配对NOMA用户的遍历速率解析表达式是什么？其随RIS尺寸如何变化？
• RQ5 RIS能否通过改变用户信道质量来改变NOMA系统的SIC解码顺序？其性能影响如何？

主要发现

• 随着RIS长度增加，NOMA用户的可实现遍历速率趋于饱和，表明超过某一尺寸后增益递减。
• RIS部署可在不增加带宽的前提下改善路径损耗截距，从而提升频谱效率与用户覆盖范围。
• 覆盖概率与遍历速率的表达式以闭式与渐近形式推导，支持在多种网络条件下进行性能评估。
• 通过RIS波束成形，NOMA中的SIC顺序可动态调整，因为RIS可改善弱用户信道质量，从而实现更优用户配对与速率公平性。
• 泊松聚类过程模型验证了入射角与反射角呈均匀分布，支持随机几何框架的可 tractable 性。
• 数值结果表明，RIS辅助NOMA在覆盖与速率方面优于传统NOMA，尤其对小区边缘用户优势显著。