[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Enhanced Millimeter-Wave NOMA Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を用いたミリ波非直交多重アクセス（NOMA）システムにおける、共同アクティブビームフォーミング、パasiveビームフォーミング、およびパワー割り当て最適化を提案する。逐次的凸近似（SCA）と交互最適化（AO）アルゴリズムを用いることで、特に視線遮断状態の下でも顕著なスルーレート向上を達成しており、5ビットの離散位相シフトが連続位相シフト性能に非常に近い結果をもたらすことを示している。

ABSTRACT

In this paper, a downlink intelligent reflecting surface (IRS) enhanced millimeter-wave (mmWave) non-orthogonal multiple access (NOMA) system is considered. A joint optimization problem over active beamforming, passive beamforming and power allocation is formulated. Due to the highly coupled variables, the formulated optimization problem is non-convex. To solve this problem, an alternative optimization and successive convex approximation based iterative algorithm is proposed. Numerical results illustrate that: 1) the proposed scheme offers significant sum-rate gains, which confirms the effectiveness of introducing IRS for mmWave-NOMA systems; 2) the proposed algorithm with discrete phase shifts can achieve close performance to that of continuous phase shifts.

研究の動機と目的

• 基地局（BS）とユーザー間の直接リンクが遮断される状況によるmmWave-NOMAシステムの通信範囲の悪化という課題に対処する。
• インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を導入し、反射リンクを形成することで、スペクトル効率とシステムカバレッジを向上させる。
• 合計スルーレートを最大化するため、アクティブビームフォーミング、パasiveビームフォーミング、およびパワー割り当てを含む非凸最適化問題を定式化する。
• 非凸問題を解くために、交互最適化（AO）と逐次的凸近似（SCA）に基づく反復的アルゴリズムを開発する。
• mmWave-NOMAにおけるIRSの性能向上効果を評価し、位相シフトの分解能とスルーレートの実用的トレードオフを明らかにする。

提案手法

• 直接BS-ユーザー間リンクが存在しないダウンリンクIRS支援型mmWave-NOMAシステムを定式化し、信号をIRSが反射することで通信を実現する。
• パスロスとシャドウイングを含むRician fadingモデルを用い、BS-IRSおよびIRS-ユーザー間リンクにそれぞれ3本の伝搬パスを仮定する。
• 非凸な合計スルーレート最大化問題を、逐次的凸近似（SCA）を用いて反復的に凸部分問題に近似する。
• 交互最適化を適用し、連携最適化問題を3つの部分問題に分離する：アクティブビームフォーミング、パasiveビームフォーミング（位相シフト）、およびパワー割り当て。
• 実装上のハードウェア制約を反映するため、有限のBビット分解能を持つ値の集合（例：0, 2π/2^B, ..., 2π(2^B−1)/2^B）を用いて離散位相シフトを実装する。
• 各部分問題を反復的に解き、目的関数の値の変化をモニタリングすることで収束を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接リンクが遮断された状況下で、IRSの導入がmmWave-NOMAシステムの合計スルーレートを顕著に向上させることができるか？
• RQ2 提案された共同アクティブ／パasiveビームフォーミングおよびパワー割り当てアルゴリズムは、非凸最適化問題を効果的に解けるか？
• RQ3 IRS支援型mmWave-NOMAシステムにおいて、連続位相シフトと離散位相シフトの性能ギャップはどの程度か？
• RQ4 IRSの反射素子数がシステムの合計スルーレートおよび収束速度に与える影響は何か？
• RQ5 ZFBFベースのビームフォーミングやIRS-OMAといったベンチマーク手法と比較して、提案手法のスペクトル効率はどの程度優れているか？

主な発見

• 提案アルゴリズムは、IRS素子数や送信電力にかかわらず、通常10～15反復で収束することが確認された。
• IRS反射素子数の増加に伴い、システムの合計スルーレートが上昇し、より多くのパasive素子が信号の反射とシステム容量の向上に寄与することを裏付けた。
• ZFBFベースの手法に比べ、最適化されたアクティブビームフォーミングにより提案手法が優れた性能を示した。ZFBF手法ではアクティブビームフォーミングが部分的に最適でない。
• IRS-NOMAシステムはIRS-OMAを上回る合計スルーレートを達成しており、NOMAの同時マルチユーザー伝送によるスペクトル効率の向上を確認した。
• 5ビットの位相シフト分解能を用いた離散位相シフト方式は、連続位相シフトの上限性能にほぼ等しい合計スルーレートを達成しており、実用的実装可能性を示した。
• 分解能が向上するにつれて、離散位相シフトと連続位相シフトの性能ギャップが縮小する傾向にあり、より高い分解能の位相シフトが優れたビームフォーミングゲインをもたらすことを裏付けた。