[論文レビュー] IRS-aided Wireless Powered MEC Systems: TDMA or NOMA for Computation Offloading?

Guangji Chen, Qingqing Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、IRS支援型無線給電MECシステムにおける上行リンク計算オフロードにおいて、TDMAとNOMAのどちらが優れているかを調査する。動的ビームフォーミングを適用した場合、IRSのビームフォーミングを送信フレームごとに適応的に設定することで、TDMAがNOMAを上回ることを示し、高い計算レートとスペクトル・エネルギー効率の向上を達成する。

ABSTRACT

An intelligent reflecting surface (IRS)-aided wireless powered mobile edge computing (WP-MEC) system is conceived, where each device's computational task can be divided into two parts for local computing and offloading to mobile edge computing (MEC) servers, respectively. Both time division multiple access (TDMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes are considered for uplink (UL) offloading. Given the capability of IRSs in intelligently reconfiguring wireless channels over time, it is fundamentally unknown which multiple access scheme is superior for MEC UL offloading. To answer this question, we first investigate the impact of three different dynamic IRS beamforming (DIBF) schemes on the computation rate of both offloading schemes, based on the flexibility for the IRS in adjusting its beamforming (BF) vector in each transmission frame. Under the DIBF framework, computation rate maximization problems are formulated for both the NOMA and TDMA schemes, respectively, by jointly optimizing the IRS passive BF and the resource allocation. We rigorously prove that offloading adopting TDMA can achieve the same computation rate as that of NOMA, when all the devices share the same IRS BF vector during the UL offloading. By contrast, offloading exploiting TDMA outperforms NOMA, when the IRS BF vector can be flexibly adapted for UL offloading. Despite the non-convexity of the computation rate maximization problems for each DIBF scheme associated with highly coupled optimization variables, we conceive computationally efficient algorithms by invoking alternating optimization. Our numerical results demonstrate the significant performance gains achieved by the proposed designs over various benchmark schemes.

研究の動機と目的

• IRS支援型無線給電MECシステムにおける上行リンク計算オフロードにおいて、TDMAとNOMAのどちらが優れているかを特定すること。
• 3つの動的IRSビームフォーミング（DIBF）方式が、TDMAおよびNOMAの両方における計算レートに与える影響を分析すること。
• 非凸な計算レート最大化問題を、IRSのパasiveビームフォーミングとリソース割り当てを共同最適化することで定式化し、解法を提示すること。
• スペクトル効率およびエネルギー効率の観点から、提案手法とベンチマーク手法との性能向上を評価すること。
• IRS支援下でのダウンリンク時間割り当ての最適化を調査すること。

提案手法

• 送信フレームごとにIRSの位相シフトを適応的に再設定することで、チャネル状態を向上させる動的IRSビームフォーミング（DIBF）フレームワークを提案する。
• TDMAおよびNOMA方式の両方について、計算レート最大化問題を定式化し、IRSのパasiveビームフォーミングとシステムリソース割り当て（時間、電力、計算周波数）を共同最適化する。
• 非凸かつ高く結合された最適化変数に対処するため、交互最適化を適用する。
• すべてのデバイスが同じIRSビームフォーミングベクトルを共有する場合に、TDMAがNOMAと同等または優れた性能を達成する解析的条件を導出する。
• ラグランジュ緩和とKKT条件を用いて、凸化された部分問題を解き、最適解を導出する。
• 提案手法の理論的考察を、従来のベンチマークと比較する数値結果により検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的IRSビームフォーミングを適用したIRS支援型WP-MECシステムにおいて、TDMAがNOMAを上回る条件は何か？
• RQ2 動的IRSビームフォーミングは、TDMAおよびNOMAベースの上行リンクオフロードにおける計算レートにどのように影響を与えるか？
• RQ3 IRSを用いてシステム性能を向上させる場合、ダウンリンク無線給電の最適時間割り当ては何か？
• RQ4 すべてのデバイスが同じIRSビームフォーミングベクトルを共有する場合、TDMAとNOMAで同じ計算レートを達成できるか？
• RQ5 IRS支援ビームフォーミングは、高いスペクトル効率およびエネルギー効率を維持しつつ、エネルギー伝送に必要なダウンリンク時間をどのように短縮できるか？

主な発見

• すべてのデバイスが上行リンクオフロード中に同じIRSビームフォーミングベクトルを共有する場合、TDMAはNOMAと同等の計算レートを達成する。
• IRSビームフォーミングベクトルを送信フレームごとに柔軟に適応的に変更できる場合、TDMAは計算レートにおいてNOMAを上回る。
• 提案された動的IRSビームフォーミング方式は、システムのスペクトル効率およびエネルギー効率を顕著に向上させ、無線給電に必要なダウンリンク時間の短縮を実現する。
• 数値結果から、特に高移動度または高密度なIoE環境において、ベンチマーク手法に比べて顕著な性能向上が確認された。
• IRS支援により、ダウンリンク無線給電の最適時間割り当てが著しく短縮され、より長いオフロードおよび計算時間の確保が可能になった。
• IRSのパasiveビームフォーミングとリソース割り当ての共同最適化により、計算的に効率的な交互最適化アルゴリズムで近似的最適性能が達成された。