[論文レビュー] Joint Beamforming Design in Multi-Cluster MISO NOMA Intelligent Reflecting Surface-Aided Downlink Communication Networks

Yiqing Li, Miao Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用数 47

ひとこと要約

この論文は、IRSによって支援されたマルチクラスタ MISO NOMA 系に対する低複雑度の ZF の代替案を含む、SOCP-ADMM ベースのジョイントビームフォーミング設計を提案し、レート制約下で総送信電力を最小化する。

ABSTRACT

Considering intelligent reflecting surface (IRS), we study a multi-cluster multiple-input-single-output (MISO) non-orthogonal multiple access (NOMA) downlink communication network. In the network, an IRS assists the communication from the base station (BS) to all users by passive beamforming. Our goal is to minimize the total transmit power by jointly optimizing the transmit beamforming vectors at the BS and the reflection coefficient vector at the IRS. Because of the restrictions on the IRS reflection amplitudes and phase shifts, the formulated quadratically constrained quadratic problem is highly non-convex. For the aforementioned problem, the conventional semidefinite programming (SDP) based algorithm has prohibitively high computational complexity and deteriorating performance. Here, we propose an effective second-order cone programming (SOCP)-alternating direction method of multipliers (ADMM) based algorithm to obtain the locally optimal solution. To reduce the computational complexity, we also propose a low-complexity zero-forcing (ZF) based suboptimal algorithm. It is shown through simulation results that our proposed SOCP-ADMM based algorithm achieves significant performance gain over the conventional SDP based algorithm. Furthermore, when the number of passive reflection elements is relatively high, our proposed ZF-based suboptimal algorithm also outperforms the SDP based algorithm.

研究の動機と目的

• IRSを用いたマルチクラスタ MISO-NOMA ネットワークにおけるダウンリンクの電力効率の高い伝送を動機付ける。
• レート制約の下で BS 送信ビームと IRS 反射係数を同時に最適化する非凸 QCQP を定式化・解く。
• 計算負荷を抑えたローカル最適解を得るスケーラブルな最適化フレームワークを開発。
• IRS 要素数が増加するにつれて高い性能を示す低複雑度の代替案（ZF ベース）を提供。

提案手法

• 多クラスタ MISO-NOMA 設定と IRS 反射を用いた送信信号モデルを定式化し、SIC を用いたセル端ユーザと中心ユーザの SINR を定義する。
• 非凸 QCQP を SOCP-ADMM に適した形へ(auxiliary 変数と QoS 制約)変換する。
• ADMM を適用して問題を BS ビームフォーマーと IRS 係数の解ける SOCP サブ問題に分解し、IRS 更新の射影ステップを含む。
• SVD ベースのノルム設計によるクラスタ間干渉をヌル化して inter-cluster interference nulling を課し、低複雑度のサブ最適アルゴリズムを提案。
• 補助変数と双対変数の閉形式更新を導出し、提案手法の計算複雑度を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BS ビームフォーマと IRS 反射係数の共同最適化は、マルチクラスタ MISO-NOMA IRS支援ダウンリンクにおいて各ユーザのレート要件の下で総送信電力を最小化できるか？
• RQ2 SOCP-ADMM 解は性能と複雑さの点で SDP ベースのアプローチと比較してどうか？
• RQ3 IRS に多くの要素がある場合、ゼロフォーシングに基づくサブ最適アルゴリズムは電力効率で競争力を提供するか？
• RQ4 連続振幅/位相、単位振幅位相、量子化位相の異なる IRS 反射係数モデルが、最適設計と電力消費にどのような影響を与えるか？

主な発見

• SOCP-ADMM アルゴリズムは従来の SDP ベース法と比べて電力削減を実現する。
• パッシブ IRS 要素の数が多いと、ZF ベースのサブ最適アルゴリズムは SDP ベースアプローチよりもいくつかの状況で優れる。
• 提案フレームワークは Case I (連続振幅/位相)、Case II (単位モジュラス位相)、Case III (量子化位相) の IRS モデルを収容している。
• 実用的な IRS サイズに対して、局所最適解を実現可能な計算複雑度で提供する。