[論文レビュー] Power Efficient IRS-Assisted NOMA
本稿は、スペクトル効率の向上と送信電力を低減するために、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を支援する多重入力単一出力（MISO）非直交多重アクセス（NOMA）システムを提案する。ビームフォーミングベクトルとIRS位相シフトを共同最適化することにより、改善された準劣化条件下で容量を達成する性能を実現し、多数のシナリオでゼロフォーカスビームフォーミング（ZFBF）を上回り、最適性能を実現するハイブリッドNOMA伝送を可能にする。
In this paper, we propose a downlink multiple-input single-output (MISO) transmission scheme, which is assisted by an intelligent reflecting surface (IRS) consisting of a large number of passive reflecting elements. In the literature, it has been proved that nonorthogonal multiple access (NOMA) can achieve the capacity region when the channels are quasi-degraded. However, in a conventional communication scenario, it is difficult to guarantee the quasi-degradation, because the channels are determined by the propagation environments and cannot be reconfigured. To overcome this difficulty, we focus on an IRS-assisted MISO NOMA system, where the wireless channels can be effectively tuned. We optimize the beamforming vectors and the IRS phase shift matrix for minimizing transmission power. Furthermore, we propose an improved quasi-degradation condition by using IRS, which can ensure that NOMA achieves the capacity region with high possibility. For a comparison, we study zero-forcing beamforming (ZFBF) as well, where the beamforming vectors and the IRS phase shift matrix are also jointly optimized. Comparing NOMA with ZFBF, it is shown that, with the same IRS phase shift matrix and the improved quasi-degradation condition, NOMA always outperforms ZFBF. At the same time, we identify the condition under which ZFBF outperforms NOMA, which motivates the proposed hybrid NOMA transmission. Simulation results show that the proposed IRS-assisted MISO system outperforms the MISO case without IRS, and the hybrid NOMA transmission scheme always achieves better performance than orthogonal multiple access.
研究の動機と目的
- 確率的伝搬環境に起因して、チャネルの準劣化が確実に保証されないNOMAシステムで、容量を達成する性能を実現するという課題に対処すること。
- インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を活用して、無線チャネルを能動的に再構成し、NOMAのための制御可能なユーザーチャネル整合性を実現すること。
- MISO-NOMAシステムにおける下り行送信電力を最小化するために、ビームフォーミングベクトルとIRS位相シフト行列を共同最適化すること。
- IRSによって可能になる新しい準劣化条件を確立し、NOMAがダーティペーパーコーディング（DPC）と同等の性能を達成できることを保証すること。
- NOMAとZFBFを比較し、周波数多重アクセス（OMA）を上回る性能を実現するハイブリッドNOMA伝送方式を提案すること。
提案手法
- IRSの受動的反射素子が有効チャネル応答を再構成することで、制御可能なユーザーチャネル整合性を実現するIRS支援MISO-NOMAシステムを提案する。
- IRS位相シフトに依存する新しい準劣化条件を導入し、チャネルが本質的に劣化していない場合でも、NOMAがDPCレベルの性能を達成可能にする。
- QoSレート制約下で総送信電力を最小化するためのビームフォーミングベクトルとIRS位相シフトの共同最適化問題を解く。
- 与えられたIRS位相シフト下で、モール・ペンローズの疑似逆行列を用いてビームフォーミングベクトルの閉形式解を導出することで、計算効率を向上させる。
- 同じIRS位相シフト行列を用いてNOMAとZFBFを比較し、改善された準劣化条件が満たされている場合、NOMAが常にZFBFを上回ることを示す。
- チャネル状態に応じてNOMAとZFBFを動的に選択するハイブリッドNOMA伝送方式を提案する。
実験結果
リサーチクエスチョン
- RQ1IRSを用いて、NOMAシステムにおける準劣化を能動的に再構成し、容量を達成する性能を実現できるか？
- RQ2ビームフォーミングとIRS位相シフトの共同最適化は、MISO-NOMAシステムにおける電力効率をどのように向上させるか？
- RQ3IRS支援システムにおいて、NOMAがZFBFを上回る条件は何か？逆にZFBFが優位となる状況はどのような場合か？
- RQ4従来のMISO-NOMA（IRSなし）と比較して、IRS支援NOMAの性能向上はどの程度か？
- RQ5動的条件下でNOMAとZFBFを最適に選択するハイブリッドNOMA伝送方式を設計可能か？
主な発見
- 提案されたIRS支援NOMAシステムは、改善された準劣化条件下でダーティペーパーコーディング（DPC）と同等の性能を達成し、容量領域を実現する。
- 同じIRS位相シフト行列と改善された準劣化条件が適用されている場合、NOMAはスペクトル効率と電力効率の両面で常にZFBFを上回る。
- ZFBFがNOMAを上回るのは、ユーザーのチャネルが直交している場合に限る。これは、IRSの反射行列がゼロである場合に発生し、まれだが特定可能な状況である。
- シミュレーション結果により、IRS支援MISO-NOMAシステムが、IRSなしの従来のMISO-NOMAシステムに比べ、エネルギー効率およびスペクトル効率の両面で顕著に優れていることが確認された。
- 提案されたハイブリッドNOMA伝送方式は、常に周波数多重アクセス（OMA）を上回る性能を達成し、将来のB5Gネットワークにおけるインテリジェントリフレクティングサーフェス統合の優位性を示している。
- 理論的解析により、改善された準劣化条件下では、NOMAの最小送信電力がZFBFのそれ以上に常に小さいことが証明され、等号成立はチャネルが直交している場合に限る。
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