[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Aided Multiple Access Over Fading Channels

Yiyu Guo, Zhijin Qin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 51被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、瑞々しい反射表面（IRS）を用いた下行リンクネットワークにおいて、瑞々しい多重アクセス（NOMA）と直交多重アクセス（OMA）方式を用い、 fading 環境下でシステム平均合計スルーレートを最大化することを目的としている。低複雑性のアルゴリズムを用いて、ラグランジュ双対分解と逐次凸近似（SCA）を活用し、離散的位相およびレート制約下で位相シフトと電力割り当てを最適化する動的および一回限りの位相調整戦略を導入し、従来のシステムに比べ顕著な性能向上を達成している。

ABSTRACT

This paper considers a two-user downlink transmission in intelligent reflecting surface (IRS) aided network over fading channels. Particularly, non-orthogonal multiple access (NOMA) and two orthogonal multiple access (OMA) schemes, namely, time division multiple access (TDMA) and frequency division multiple access (FDMA), are studied. The objective is to maximize the system average sum rate for the delay-tolerant transmission. We propose two adjustment schemes, namely, dynamic phase adjustment and one-time phase adjustment. The power budget, minimum average data rate, and discrete unit modulus reflection coefficient are considered as constrains. To solve the problem, two phase shifters adjustment algorithms with low complexity are proposed to obtain near optimal solutions. With given phase shifters and satisfaction of time-sharing condition, the optimal resource allocations are obtained using the Lagrangian dual decomposition. The numerical results reveal that: i) the average sum rate of proposed NOMA network aided by IRS outperforms the conventional NOMA network over fading channels; ii) with continuous IRS adjustment in the fading block, the proposed TDMA scheme performs better than the FDMA scheme; iii) increasing the minimum average user rate requirement has less impact on the proposed IRS-NOMA system than on the IRS-OMA system.

研究の動機と目的

• 5G+ネットワークにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率を向上させること。
• fading 環境下における2ユーザー下行リンクIRS支援ネットワークのシステム平均合計スルーレートを最大化すること。
• 実用的制約（離散的位相シフト、電力予算、最小ユーザーレート）下で、NOMAとOMA（TDMA/FDMA）をIRS支援システムで比較すること。
• 近似的に最適な性能を達成する低複雑性のアルゴリズムを、位相シフトと電力割り当てに開発すること。

提案手法

• 性能と複雑性のバランスを図るために、フェージングブロックごとに調整する動的（per fading block）およびブロック開始時に1回だけ調整する一回限りの（at block start）IRS位相調整方式の2通りを提案する。
• 連続的位相シフトの非凸最適化問題を解くために逐次凸近似（SCA）を用いる。
• ビームフォーミング設計におけるランク1制約を処理するためにSROCR法を適用する。
• 各フェージング状態における電力割り当てを解くために、時間共有条件を組み込んだラグランジュ双対分解を用いる。
• 実装のための離散的単位モジュラス値への変換のために、量子化を適用する。
• 電力、レート、位相制約下で反復的最適化により近似的に最適な解を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 fading 環境下で、IRS支援型NOMAは従来のNOMAに比べて平均合計スルーレートでどの程度優れているか？
• RQ2 IRS支援型OMAシステムにおいて、動的位相調整と一回限り位相調整の性能向上はどの程度か？
• RQ3 離散的位相シフトと量子化は、連続的位相シフトと比較してシステム性能にどのように影響するか？
• RQ4 最小ユーザーレート要件の影響は、IRS-NOMAとIRS-OMAシステムにおいてそれぞれどのように異なるか？
• RQ5 IRS要素数およびIRSの配置が平均合計スルーレートに与える影響は何か？

主な発見

• 提案されたIRS-NOMAシステムは、fading 環境下で従来のNOMAよりも高い平均合計スルーレートを達成しており、シミュレーションで10 dBの電力ゲインが観測された。
• 動的位相調整により、フェージングブロック内でのチャネルの効果的利用が可能となり、TDMAがFDMAを上回る性能を示した。
• 最小平均ユーザーレート要件の増加がもたらす性能劣化は、IRS-NOMAの方がIRS-OMAよりも小さい。
• IRS要素数の増加に伴いシステム性能が向上し、反射要素の数が多いほど平均合計スルーレートが顕著に増加した。
• 一回限り位相調整方式は、ブルートフォース探索に比べてほぼ最適な性能を達成しており、複雑性が低い。
• 基地局とユーザーの真ん中にIRSを配置すると、チャネル利得がバランスするため性能が劣化するが、ユーザーに近い最適な配置により合計スルーレートが向上する。