[论文解读] Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surface Assisted NOMA Networks

Xinwei Yue, Jin Xie+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 58被引用 162

一句话总结

本文提出了一种在Rician衰落信道下采用同时发射与反射可重构智能表面（STAR-RIS）的非正交多址接入（NOMA）网络，其中STAR-RIS将信号分流以同时服务近用户和远用户。该文推导了在非完美与完美 successive interference cancellation（ipSIC/pSIC）下的近似中断概率和遍历速率表达式，结果表明：在pSIC条件下，近用户获得阶数为1的分集增益，且在高信噪比（high-SNR）下遍历速率斜率为1，而远用户斜率为0，因此在中断性能和遍历速率方面均优于STAR-RIS-OMA和传统协作系统。

ABSTRACT

Simultaneously transmitting/refracting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) has been introduced to achieve full coverage area. This paper investigate the performance of STAR-RIS assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) networks over Rician fading channels, where the incidence signals sent by base station are reflected and transmitted to the nearby user and distant user, respectively. To evaluate the performance of STAR-RIS-NOMA networks, we derive new approximate expressions of outage probability and ergodic rate for a pair of users, in which the imperfect successive interference cancellation (ipSIC) and perfect SIC (pSIC) schemes are taken into consideration. Based on the asymptotic expressions, the diversity orders of the nearby user with ipSIC/pSIC and distant user are achieved carefully. The high signal-to-noise ratio slopes of ergodic rates for nearby user with pSIC and distant user are equal to $one$ and $zero$, respectively. In addition, the system throughput of STAR-RIS-NOMA is discussed in delay-limited and delay-tolerant modes. Simulation results are provided to verify the accuracy of the theoretical analyses and demonstrate that: 1) The outage probability of STAR-RIS-NOMA outperforms that of STAR-RIS assisted orthogonal multiple access (OMA) and conventional cooperative communication systems; 2) With the increasing of reflecting elements $K$ and Rician factor $\kappa $, the STAR-RIS-NOMA networks are capable of attaining the enhanced performance; and 3) The ergodic rates of STAR-RIS-NOMA are superior to that of STAR-RIS-OMA.

研究动机与目标

• 研究STAR-RIS-NOMA网络在Rician衰落信道下的性能，以实现全空间覆盖。
• 推导在非完美和完美 successive interference cancellation（ipSIC/pSIC）下的中断概率和遍历速率的近似表达式。
• 分析近用户和远用户在ipSIC和pSIC条件下的分集阶数和高信噪比（high-SNR）遍历速率斜率。
• 比较延迟受限和延迟容忍模式下的系统吞吐量。
• 通过仿真验证理论分析，并证明其优于STAR-RIS-OMA和传统协作系统。

提出的方法

• 提出一种STAR-RIS-NOMA系统，其中智能反射面（RIS）可同时对近用户进行信号反射，对远用户进行信号传输。
• 采用相干相位调控技术对齐信号，并对两条链路的级联Rician衰落信道进行建模。
• 利用拉盖尔多项式的级数展开和高斯-切比雪夫求积法进行数值积分，推导中断概率的近似表达式。
• 应用拉普拉斯变换与反拉普拉斯变换技术，推导高信噪比（high-SNR）下的渐近表达式。
• 利用高斯-拉盖尔求积法对遍历速率积分进行近似，以实现数值计算。
• 通过在不同反射单元数量和Rician因子配置下的蒙特卡洛仿真，验证理论结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ipSIC和pSIC条件下，STAR-RIS-NOMA的中断性能与STAR-RIS-OMA及传统协作系统相比如何？
• RQ2 在ipSIC和pSIC条件下，STAR-RIS-NOMA中近用户和远用户的分集阶数分别是多少？
• RQ3 在STAR-RIS-NOMA中，近用户和远用户在高信噪比（high-SNR）下的遍历速率斜率是多少？
• RQ4 反射单元数量K和Rician因子κ对系统性能有何影响？
• RQ5 在延迟受限和延迟容忍模式下，系统的吞吐量性能如何？

主要发现

• 在pSIC条件下，STAR-RIS-NOMA中近用户的分集阶数为1，表明实现了全分集增益；而远用户的分集阶数为0。
• 在pSIC条件下，近用户的高信噪比（high-SNR）遍历速率斜率为1，表明频谱效率实现最优扩展；而远用户的斜率为0。
• 在所有信噪比（SNR）范围内，STAR-RIS-NOMA的中断概率均低于STAR-RIS-OMA和传统协作系统。
• 增加反射单元数量K和Rician因子κ可提升STAR-RIS-NOMA的中断性能和遍历速率。
• STAR-RIS-NOMA的遍历速率优于STAR-RIS-OMA，尤其在高信噪比和高移动性场景下优势更明显。
• 数值结果验证了所推导的中断概率和遍历速率近似表达式的准确性。