[論文レビュー] Exploiting Intelligent Reflecting Surfaces in Multi-Antenna Aided NOMA Systems

Xidong Mu, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 52

ひとこと要約

本稿では、理想および非理想IRS制約下で、IRS支援NOMAシステムにおける和速率を最大化するため、共同アクティブおよびパasiveビームフォーミング最適化を提案する。逐次凸近似とランク1リラクゼーションを用いた交互最適化により、低分解能位相シフタを備えた状況でもほぼ理想性能を達成でき、従来の多重アクセス方式を著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

This paper investigates a downlink multiple-input single-output intelligent reflecting surface (IRS) aided non-orthogonal multiple access (NOMA) system, where a base station (BS) serves multiple users with the aid of IRSs. Our goal is to maximize the sum rate of all users by jointly optimizing the active beamforming at the BS and the passive beamforming at the IRS, subject to successive interference cancellation decoding rate conditions and IRS reflecting elements constraints. In term of the characteristics of reflection amplitudes and phase shifts, we consider ideal and non-ideal IRS assumptions. To tackle the formulated non-convex problems, we propose efficient algorithms by invoking alternating optimization, which design the active beamforming and passive beamforming alternately. For the ideal IRS scenario, the two subproblems are solved by invoking the successive convex approximation technique. For the non-ideal IRS scenario, constant modulus IRS elements are further divided into continuous phase shifts and discrete phase shifts. To tackle the passive beamforming problem with continuous phase shifts, a novel algorithm is developed by utilizing the sequential rank-one constraint relaxation approach, which is guaranteed to find a locally optimal rank-one solution. Then, a quantization-based scheme is proposed for discrete phase shifts. Finally, numerical results illustrate that: i) the system sum rate can be significantly improved by deploying the IRS with the proposed algorithms; ii) 3-bit phase shifters are capable of achieving almost the same performance as the ideal IRS; iii) the proposed IRS-aided NOMA systems achieve higher system sum rate than the IRS-aided orthogonal multiple access system.

研究の動機と目的

• インテリジェント反射表面（IRS）で強化されたダウンリンクマルチアンテナNOMAシステムにおける和速率を最大化すること。
• 実用的なIRS制約下で、基地局におけるアクティブビームフォーミングとIRSにおけるパasiveビームフォーミングを共同で最適化すること。
• 連続位相シフト（理想IRS）と離散位相シフト（非理想IRS）の両状況を扱い、現実的なハードウェア制限を考慮すること。
• 非凸性を有する最適化問題に対しても、高品質な解に収束する効率的なアルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 複雑な共同問題を分離することで、逐次的にアクティブビームフォーミングとパasiveビームフォーミングを最適化する交互最適化を採用する。
• 理想IRSの場合の非凸部分問題であるアクティブビームフォーミングに対して、逐次凸近似（SCA）を適用する。
• 非理想IRSにおける連続位相シフトの局所最適なランク1解を求めるために、新規の逐次ランク1制約リラクゼーション手法を適用する。
• 離散位相シフトを扱うために、量子化に基づくスキームを設計し、実用的な実装を可能にする。
• 信頼性の高いユーザー検出を保証するため、逐次干渉キャンセレーション（SIC）復調レート制約を組み込む。
• 現実的な位相シフタをモデル化するため、IRS反射係数の定値制約を尊重する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援NOMAシステムにおける共同アクティブおよびパasiveビームフォーミング最適化は、和速率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 離散位相シフトを有する非理想IRSハードウェアは、連続位相シフトを有する理想IRSの性能をどの程度近似できるか？
• RQ3 低分解能位相シフタ（例：3ビット）は、NOMAシステムにおいてほぼ理想IRS性能を達成できるか？
• RQ4 提案されたIRS支援NOMAシステムは、IRS支援直交多重アクセス（OMA）システムと比較して、和速率でどの程度優れているか？

主な発見

• 提案された共同ビームフォーミングアルゴリズムは、IRS支援NOMAシステムにおける従来手法と比較して、著しく高い和速率を達成する。
• 3ビット位相シフタは、理想IRSとほぼ同等の和速率性能を達成しており、低分解能ハードウェアの有効性を示している。
• 提案されたIRS支援NOMAシステムは、和速率の観点でIRS支援OMAシステムを上回っており、NOMAのスペクトル効率の向上を実証している。
• 逐次ランク1リラクゼーションアルゴリズムは、連続位相シフトIRSに対して局所最適解を効果的に見つけ、収束性と性能を保証している。
• 離散位相シフトのための量子化ベーススキームは、最小限の性能損失で実用的かつ効果的な解決策を提供している。
• 交互最適化フレームワークは、非凸問題を効率的に解き、性能と計算複雑度のバランスを取っている。