[论文解读] STAR-RIS-NOMA Networks: An Error Performance Perspective

Mahmoud Aldababsa, Aymen Khaleel+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种STAR-RIS-NOMA网络，通过利用同时发射与反射的可重构智能表面（STAR-RIS），在表面两侧为多个非正交多址（NOMA）用户服务，从而提升误比特率（BER）性能。基于完美与非完美连续干扰消除（SIC）的闭式BER表达式，研究结果表明，在10⁻³ BER时，STAR-RIS-NOMA相较于经典NOMA可实现高达29 dB的BER增益，在高信噪比（SNR）区域表现出分集增益，并在SIC错误下具备更强的鲁棒性。

ABSTRACT

This letter investigates the bit error rate (BER) performance of simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) in non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. In the investigated network, a STAR-RIS serves multiple non-orthogonal users located on either side of the surface by utilizing the mode switching protocol. We derive the closed-form BER expressions in perfect and imperfect successive interference cancellation cases. Furthermore, asymptotic analyses are also conducted to provide further insights into the BER behavior in the high signal-to-noise ratio region. Finally, the accuracy of our theoretical analysis is validated through Monte Carlo simulations. The obtained results reveal that the BER performance of STAR-RIS-NOMA outperforms that of the classical NOMA system, and STAR-RIS might be a promising NOMA 2.0 solution.

研究动机与目标

• 分析在完美与非完美连续干扰消除（SIC）条件下，STAR-RIS-NOMA网络的误比特率（BER）性能。
• 推导位于STAR-RIS传输侧与反射侧用户的闭式BER表达式。
• 进行渐近分析，以理解在高信噪比（SNR）区域的BER行为。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，并与经典NOMA系统进行性能对比。
• 评估RIS单元数量、功率分配及SIC误差对BER性能的影响。

提出的方法

• 基于统计信道模型，推导在完美与非完美SIC条件下，双用户STAR-RIS-NOMA系统的闭式BER表达式。
• 采用模式切换协议，将STAR-RIS单元分配给位于相对两侧的用户，实现同时发射与反射。
• 采用真实的耦合相移模型对STAR-RIS单元建模，实现对信号反射与透射的幅度与相位的可控调节。
• 进行渐近分析，推导高SNR区域的分集阶数与误码地板行为。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，采用真实的路径损耗与距离模型（路径损耗指数α=2）。
• 在不同参数下评估性能：RIS单元数量、功率分配系数及SIC误差水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同系统参数下，STAR-RIS-NOMA的BER性能与经典NOMA相比如何？
• RQ2 RIS单元数量对传输区与反射区用户BER性能有何影响？
• RQ3 非完美SIC与功率分配系数如何影响STAR-RIS-NOMA系统的BER性能？
• RQ4 STAR-RIS-NOMA用户在高SNR区域的分集增益与误码地板行为如何？
• RQ5 用户位置（距基站与RIS的距离）如何影响BER性能及其对功率分配的敏感性？

主要发现

• 当使用75个RIS单元时，STAR-RIS-NOMA在BER为10⁻³时相较经典NOMA最高可实现29 dB的BER增益，显著提升系统性能。
• 在完美SIC情况下，STAR-RIS-NOMA用户可获得分集增益；而在非完美SIC情况下，BER性能下降，并在高SNR区域趋于误码地板。
• 远端用户（U₂）对SIC错误更敏感；通过增加近端用户（U₁）的功率分配，可降低SIC错误率，从而改善U₂的BER性能。
• 用户U₁对功率分配变化的敏感度高于对RIS单元数量的敏感度——将功率分配系数提高0.1，可使维持BER=10⁻³所需的RIS单元数量减少13个。
• 在三用户场景中，位于反射区的用户U₃不受相互间子表面干扰影响，且避免了BER误码地板，而传输区用户则存在该问题。
• 针对完美与非完美SIC情况推导的理论BER表达式与蒙特卡洛仿真结果完全一致，验证了分析模型的准确性。