[論文レビュー] Performance Analysis of Intelligent Reflecting Surface Assisted NOMA Networks

Xinwei Yue, Yuanwei Liu|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 45被引用数 26

ひとこと要約

本稿は、1ビット符号化方式を用いたインテリジェント反射表面（IRS）支援非直交多重アクセス（NOMA）ネットワークの性能解析を提案する。完全および不完全逐次干渉キャンセレーション（pSIC/ipSIC）の下で、 outage 確率およびエルゴディックレートの正確な式と漸近的式を導出しており、IRS-NOMA が IRS-OMA やリレーシンク方式に比べて優れたスペクトル効率およびエネルギー効率を達成していることが示され、多様性次数は反射素子数とチャネル順序に依存する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising technology to enhance the coverage and performance of wireless networks. We consider the application of IRS to non-orthogonal multiple access (NOMA), where a base station transmits superposed signals to multiple users by the virtue of an IRS. The performance of an IRS-assisted NOMA networks with imperfect successive interference cancellation (ipSIC) and perfect successive interference cancellation (pSIC) is investigated by invoking 1-bit coding scheme. In particular, we derive new exact and asymptotic expressions for both outage probability and ergodic rate of the m-th user with ipSIC/pSIC. Based on analytical results, the diversity order of the m-th user with pSIC is in connection with the number of reflecting elements and channel ordering. The high signal-to-noise radio (SNR) slope of ergodic rate for the $m$-th user is obtained. The throughput and energy efficiency of non-orthogonal users for IRS-NOMA are discussed both in delay-limited and delay-tolerant transmission modes. Additionally, we derive new exact expressions of outage probability and ergodic rate for IRS-assisted orthogonal multiple access (IRS-OMA). Numerical results are presented to substantiate our analyses and demonstrate that: i) The outage behaviors of IRS-NOMA are superior to that of IRS-OMA and relaying schemes; ii) With increasing the number of reflecting elements, IRS-NOMA is capable of achieving enhanced outage performance; and iii) The M-th user has a larger ergodic rate compared to IRS-OMA and benchmarks. However, the ergodic performance of the $m$-th user exceeds relaying schemes in the low SNR regime.

研究の動機と目的

• 不完全および完全逐次干渉キャンセレーション（ipSIC/pSIC）下でのIRS支援NOMAネットワークの性能を分析すること。
• IRS-NOMAにおけるm番目のユーザーのアウトプット確率およびエルゴディックレートの正確な式と漸近的式を導出すること。
• 遅延制限モードおよび遅延許容モードにおける、IRSがスペクトル効率およびエネルギー効率に与える影響を評価すること。
• スループットおよびエネルギー効率の観点から、IRS-NOMAをIRS-OMAおよび協調リレーシンクと比較すること。
• IRS-NOMAにおけるm番目のユーザーのエルゴディックレートの多様性次数および高SNRスロープを確立すること。

提案手法

• IRS位相シフトに1ビット符号化方式を用いて、m番目のユーザーのアウトプット確率およびエルゴディックレートの新しい正確な式と漸近的式を導出する。
• 順序統計および一般化されたガンマ分布を用いて、IRS-NOMAにおけるm番目のユーザーのチャネルゲインをモデル化する。
• 変種ベッセル関数を含むエルゴディックレート積分を数値的に評価するために、ガウス＝チェビシェフ求積法を用いる。
• IRSの反射係数を1ビット位相シフトとしてモデル化し、アクティブ送信を伴わない低複雑度な信号反射を可能にする。
• pSICおよびipSIC下でのエンドツーエンドの信号対干渉＋ノイズ比（SINR）の累積分布関数（CDF）の閉形式式を導出する。
• エルゴディックレートの高SNRスロープおよび多様性次数を分析し、反射素子数およびチャネル順序に依存することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全SIC下で、IRS-NOMAのアウトプット性能はIRS-OMAおよび協調リレーシンク方式に比べてどのように異なるか？
• RQ2 完全SIC下でのIRS-NOMAにおけるm番目のユーザーの多様性次数は何か？ また、反射素子数およびユーザーのチャネル順序にどのように依存するか？
• RQ3 IRS-NOMAにおけるm番目のユーザーのエルゴディックレートの高SNRスロープは何か？ また、ベンチマーク方式と比較してどうなるか？
• RQ4 遅延制限モードおよび遅延許容モードにおいて、IRS-NOMAのエネルギー効率は従来の協調通信方式に比べてどのように異なるか？
• RQ5 IRS-OMAにおけるアウトプット確率およびエルゴディックレートの正確な式は何か？ また、IRS-NOMAのそれらとはどのように異なるか？

主な発見

• IRS-NOMAは、特に高SNR領域において、IRS-OMAおよびリレーシンク方式に比べて優れたアウトプット性能を達成する。
• IRS-NOMAにおけるM番目のユーザーは、IRS-OMAおよびベンチマーク方式に比べて高いエルゴディックレートを達成しており、低SNR領域ではリレーシンク方式を上回る性能を示す。
• pSIC下でのm番目のユーザーの多様性次数は、反射素子数およびユーザーのチャネル順序に直接関連している。
• m番目のユーザーのエルゴディックレートの高SNRスロープが導出され、高SNR領域におけるスループット効率の良好なスケーリングが示された。
• IRS-NOMAは、特に高レート伝送シナリオにおいて、従来の協調通信方式に比べて向上したエネルギー効率を示した。
• IRS-OMAにおけるアウトプット確率およびエルゴディックレートの正確な式が導出され、IRS-NOMAとの直接的な性能比較が可能になった。