[论文解读] STAR-RISs: A Correlated T&R Phase-Shift Model and Practical Phase-Shift Configuration Strategies

Jiaqi Xu, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用 12

一句话总结

本文提出了一种用于无源无损STAR-RIS的关联传输与反射（T&R）时延相移模型，该模型考虑了限制传输与反射信号独立控制的电磁约束。提出了三种实用的相移配置（PSC）策略——PS-PSC、DP-PSC和TR-PSC，并表明DP-PSC策略在STAR-RIS两侧用户上实现了全分集增益，与独立相移模型的性能上限相当，仅存在4 dB的功率损耗。

ABSTRACT

A correlated transmission and reflection (T&R) phase-shift model is proposed for passive lossless simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs). A STAR-RIS-aided two-user downlink communication system is investigated for both orthogonal multiple access (OMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA). To evaluate the impact of the correlated T&R phase-shift model on the communication performance, three phase-shift configuration strategies are developed, namely the primary-secondary phase-shift configuration (PS-PSC), the diversity preserving phase-shift configuration (DP-PSC), and the T/R-group phase-shift configuration (TR-PSC) strategies. Furthermore, we derive the outage probabilities for the three proposed phase-shift configuration strategies as well as for those of the random phase-shift configuration and the independent phase-shift model, which constitute performance lower and upper bounds, respectively. Then, the diversity order of each strategy is investigated based on the obtained analytical results. It is shown that the proposed DP-PSC strategy achieves full diversity order simultaneously for users located on both sides of the STAR-RIS. Moreover, power scaling laws are derived for the three proposed strategies and for the random phase-shift configuration. Numerical simulations reveal a performance gain if the users on both sides of the STAR-RIS are served by NOMA instead of OMA. Moreover, it is shown that the proposed DP-PSC strategy yields the same diversity order as achieved by STAR-RISs under the independent phase-shift model and a comparable power scaling law with only 4 dB reduction in received power.

研究动机与目标

• 为解决现有无源无损STAR-RIS硬件模型缺乏对传输与反射之间电磁耦合效应的建模问题。
• 开发符合无源STAR-RIS元件物理约束的实际相移配置（PSC）策略。
• 在OMA和NOMA系统下，评估这些策略在中断概率、分集增益和功率扩展律方面的性能。
• 利用随机和独立相移模型分别作为下界和上界，建立性能边界。

提出的方法

• 基于电磁理论提出一种关联T&R相移模型，强制满足无源无损元件的能量守恒和边界条件。
• 设计三种PSC策略：PS-PSC（主-从）、DP-PSC（分集保持）和TR-PSC（T/R组），以在物理约束下管理相移。
• 利用拉普拉斯变换和概率密度函数在原点附近的泰勒展开，推导OMA和NOMA的渐近中断概率表达式。
• 通过分析高信噪比下中断概率的渐近行为，分析分集增益。
• 推导功率扩展律，表明DP-PSC和PS-PSC为M²扩展，而随机PSC为M扩展。
• 通过仿真验证分析结果，包括波束成形图分析和不同策略间的性能比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际硬件约束下，关联T&R相移模型如何影响STAR-RIS辅助系统的性能？
• RQ2 实用的PSC策略能否在STAR-RIS两侧用户上均实现全分集增益？
• RQ3 与独立相移模型和随机配置相比，所提PSC策略的功率扩展律如何？
• RQ4 直射链路的存在如何影响分集增益和中断性能？
• RQ5 在所提模型下，NOMA相比OMA在STAR-RIS辅助系统中能带来多大性能增益？

主要发现

• 当直射链路足够强（η ≥ 0.5）时，DP-PSC策略在STAR-RIS两侧用户上均实现了全分集增益（M+1），即使存在直射链路。
• DP-PSC策略的分集增益与独立相移模型相同，证实其在分集增益方面具有最优性。
• DP-PSC策略的功率扩展律为M²，与独立相移模型的性能上限一致。
• 与性能上限相比，DP-PSC策略仅造成4 dB的功率损耗，对应10 log₁₀(4/π²) ≈ -3.9 dB的损耗。
• 数值结果证实，与OMA相比，使用NOMA可获得性能增益，尤其在DP-PSC策略下更为显著。
• 随机PSC策略仅表现出M扩展，当M从15增至30时，功率增益为5 dB，而DP-PSC则达到10 dB。