[论文解读] Simultaneous Transmitting and ReflectingIntelligent Surfaces-Empowered NOMA Networks

Mahmoud Aldababsa, Aymen Khaleel+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 16

一句话总结

本文提出了一种采用可扩展相移设计的同时发射与反射智能表面（STAR-RIS）辅助非正交多址接入（NOMA）系统，以最小化信道估计开销。该文引入新颖算法，以最优方式将STAR-RIS单元分配给用户，在最大化系统和速率的同时确保服务质量（QoS），并推导出闭式中断概率表达式，通过蒙特卡洛仿真验证，结果表明在空间相关性和相位误差条件下，其性能优于NOMA和OMA。

ABSTRACT

In this paper, we propose simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. The considered STAR-RIS utilizes the mode switching (MS) protocol to serve multiple NOMA users located on both sides of the RIS surface. Based on the MS protocol, each STAR-RIS element can operate in full transmission or reflection mode. Within this perspective, we propose a novel algorithm to partition the STAR-RIS surface among the available users. This algorithm aims to determine the proper number of transmitting/reflecting elements needs to be assigned to each user in order to maximize the system sum-rate while guaranteeing the quality-of-service requirements for individual users. For the proposed system, we derive closed-form analytical expressions for the outage probability (OP) and its corresponding asymptotic behavior under different user deployments. Finally, Monte Carlo simulations are performed in order to verify the correctness of the theoretical analysis. It is shown that the proposed system outperforms the classical NOMA and orthogonal multiple access systems in terms of OP and sum-rate.

研究动机与目标

• 为解决传统RIS的半空间覆盖受限问题，提出一种STAR-RIS赋能的NOMA系统，实现全向覆盖。
• 通过STAR-RIS单元的可扩展相移设计，降低信道估计开销。
• 联合优化分配给每个用户的发射与反射单元数量，以在满足用户个体QoS约束下最大化系统和速率。
• 推导中断概率的闭式表达式，并分析不同用户部署下的渐近行为。
• 通过蒙特卡洛仿真在空间相关性和相位误差等实际条件下验证理论分析结果。

提出的方法

• 提出一种模式切换（MS）协议用于STAR-RIS，其中每个单元仅工作于透射或反射模式之一。
• 引入新颖算法，基于信道增益和QoS需求将STAR-RIS单元分配给用户，以最小化估计开销。
• 通过中心极限定理（CLT）将级联信道增益建模为复高斯随机变量，推导出中断概率（OP）的闭式表达式。
• 在功率域NOMA中建模用户信干噪比（SINR），并考虑来自其他用户的干扰。
• 利用非中心和中心卡方分布表征信道增益的平方，并推导SINR的累积分布函数（CDF），用于OP分析。
• 在空间相关性和相位误差条件下，通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，并与经典NOMA和OMA的性能进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在减少信道估计开销的前提下，如何优化STAR-RIS单元的分配以在NOMA系统中最大化和速率并满足用户个体QoS要求？
• RQ2 在空间相关性和相位误差下，STAR-RIS赋能的NOMA系统的解析中断概率是多少？
• RQ3 系统性能如何随用户部署方式和单元分配策略的变化而变化？
• RQ4 在高信噪比（SNR）和大量STAR-RIS单元条件下，中断概率的渐近行为如何？
• RQ5 在存在实际传播损伤（如空间相关性和相位误差）时，所提系统在和速率与中断性能方面如何优于经典NOMA和OMA？

主要发现

• 所提STAR-RIS-NOMA系统在高空间相关性和相位误差条件下，相比经典NOMA和OMA，实现了更高的系统和速率。
• 通过蒙特卡洛仿真验证了推导出的闭式中断概率表达式，确认了理论分析的准确性。
• 系统在相位误差和空间相关性下表现出鲁棒性能，高信噪比（SNR）下中断概率收敛至非零分集增益。
• 所提单元分配算法通过为信道较弱的用户分配更多单元，有效平衡了用户公平性与频谱效率。
• 渐近中断分析表明，系统分集增益与STAR-RIS单元数量成正比，从而提升了可靠性。
• 采用可扩展相移设计显著降低了信道估计开销，使系统更适用于实时部署。