[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Assisted Non-Orthogonal Multiple Access

Gang Yang, Xinyue Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 39被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、基地局（BS）の送信ビームフォーミングとIRS位相シフトを共同最適化することにより、スペクトル効率とユーザーの公平性を向上させる、知能反射表面（IRS）支援型非直交多重アクセス（NOMA）システムを提案する。従来のNOMAおよびOMAよりも顕著なレート向上を達成しており、有限のIRS位相分解能下でもロバストな性能を示し、最大最小レート最適化により公平性が保証される。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a new and disruptive technology to achieve spectrum- and energy-efficient as well as cost-efficient wireless networks. This paper considers an IRS-assisted downlink non-orthogonal-multiple-access (NOMA) system. To optimize the rate performance and ensure user fairness, we maximize the minimum decoding signal-to-interference-plus-noise-ratio (i.e., equivalently the rate) of all users, by jointly optimizing the (active) transmit beamforming at the base station (BS) and the phase shifts (i.e., passive beamforming) at the IRS. A combined-channel-strength based user ordering scheme is first proposed to decouple the user-ordering design and the joint beamforming design. Efficient algorithms are further proposed to solve the formulated non-convex problem for the cases of a single-antenna BS and a multi-antenna BS, respectively, by leveraging the block coordinated decent and semidefinite relaxation (SDR) techniques. For the single-antenna BS case, the optimal solution for the power allocation at the BS and the asymptotically optimal solution for the phase shifts at the IRS are obtained in closed forms. For the multi-antenna BS case, it is shown that the rank of the SDR solution to the transmit beamforming design is upper bounded by two. Also, the convergence proof and the complexity analysis are given for the proposed algorithms. Simulation results show that the IRS-assisted downlink NOMA system can enhance the rate performance significantly, compared to traditional NOMA without IRS and traditional orthogonal multiple access with/without IRS. In addition, numerical results demonstrate that the rate degradation due to the IRS's finite phase resolution is slight, and good rate fairness among users can be always guaranteed.

研究の動機と目的

• 同じユーザーのチャネル利得や直交チャネルを持つ状況において、従来のNOMAの性能制限を解消すること。
• 再構成可能知能表面（IRS）を活用し、NOMAの利得を得るための人工的なチャネル強度差を生成すること。
• 下行リンクNOMAにおける最大最小レートの公平性を実現するため、基地局（BS）のビームフォーミングとIRS位相シフトを共同最適化すること。
• 有限分解能のIRS位相シフトに対してもロバストであることを保証しながら、高いスペクトル効率を維持すること。
• 実用的制約下での非凸共同最適化問題を解くための効率的なアルゴリズムの開発

提案手法

• ユーザーの順序付けをビームフォーミング最適化から分離するため、結合チャネル強度に基づくユーザー順序付け方式を提案する。
• ブロック座標降下法と半定値緩和（SDR）を用いて、単一および複数アンテナBSの場合の非凸最適化問題を解く。
• 単一アンテナBSの場合の電力割り当ておよび漸近的に最適な位相シフトについて、閉形式解を導出する。
• 複数アンテナビームフォーミングにおけるSDR解のランクが2以下に上界をもつことを証明し、効率的な計算を可能にする。
• ラグランジュ双対性とカーシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて最適性および収束性を分析する。
• ビームフォーミングと位相シフトの間の結合制約を処理するためのデュアル分解フレームワークを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のNOMAが類似または直交的なユーザーチャネルのため失敗する状況において、IRSを活用してNOMA利得を得るための有利なチャネル条件を生成できるか？
• RQ2 基地局のビームフォーミングとIRS位相シフトを共同最適化することで、IRS支援型NOMAにおける最小ユーザーレートを最大化できるか？
• RQ3 有限の位相分解能がIRSの性能に与える影響は何か？また、公平性は維持できるか？
• RQ4 収束保証付きの効率的なアルゴリズムを設計できるか？非凸共同最適化問題を解くために。
• RQ5 複数アンテナBSにおける最適ビームフォーミング解にどのような構造的性質（例：ランク制約）が現れるか？

主な発見

• テストされたすべてのシナリオにおいて、IRSを備えたNOMAシステムは、IRSなしの従来のNOMAおよびOMA（IRS有無を問わず）よりも顕著なレート向上を達成する。
• 提案されたアルゴリズムは信頼性高く収束し、単一および複数アンテナBSの両方のケースについて収束証明と複雑度解析が提供されている。
• 最大最小レート最適化により強いユーザーの公平性が確保されており、数値結果からユーザー間で一貫した公平性が確認されている。
• 有限の位相分解能によるレート低下は最小限に抑えられており、実用的なIRSハードウェア制約に対してもロバストであることが示された。
• 複数アンテナBSの場合、送信ビームフォーミングにおけるSDR解のランクは2以下に上界をもつため、効率的な計算が可能である。
• 単一アンテナBSの場合、電力割り当ておよび漸近的に最適な位相シフトについて閉形式解が導出されており、低複雑度実装が可能である。