[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Cooperative Non-orthogonal Multiple Access Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 27被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、アクティブビームフォーミング、リレーパワー、RIS位相シフトの共同最適化を通じて、合計送信電力を最小化する再構成可能インテリジェント表面（RIS）支援型協調非直交多重アクセス（CNOMA）システムを提案する。反復的ペナルティ関数と逐次的最適化に基づく低複雑度の近似最適アルゴリズムにより、計算コストを低減しつつ最適解に近い性能を達成し、従来のCNOMAを上回る性能を示す。この性能は、ユーザーおよびRISの配置に依存する。

ABSTRACT

This paper considers downlink of reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted cooperative non-orthogonal multiple access (CNOMA) systems. Our objective is to minimize the total transmit power by jointly optimizing the active beamforming vectors, transmit-relaying power, and RIS phase shifts. The formulated problem is a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problem. To tackle this problem, the alternating optimization approach is utilized to decouple the variables. In each alternative procedure, the optimal solutions for the active beamforming vectors, transmit-relaying power and phase shifts are obtained. However, the proposed algorithm has high complexity since the optimal phase shifts are solved by integer linear programming (ILP) whose computational complexity is exponential in the number of variables. To strike a good computational complexity-optimality trade-off, a low-complexity suboptimal algorithm is proposed by invoking the iterative penalty function based semidefinite programming (SDP) and the successive refinement approaches. Numerical results illustrate that: i) the proposed RIS-CNOMA system, aided by our proposed algorithms, outperforms the conventional CNOMA system. ii) the proposed low-complexity suboptimal algorithm can achieve the near-optimal performance. iii) whether the RIS-CNOMA system outperforms the RIS assisted non-orthogonal multiple access (RIS-NOMA) system depends not only on the users' locations but also on the RIS' location.

研究の動機と目的

• アクティブビームフォーミング、送信リレー電力、RIS位相シフトの共同最適化を通じて、ダウンリンクRIS支援型CNOMAシステムにおける合計送信電力を最小化すること。
• ビームフォーミング、リレー電力、位相シフトの共同最適化に起因する混合整数非線形プログラミング（MINLP）問題に取り組むこと。この問題は、離散的位相シフト制約のため計算が困難である。
• 実用的導入を想定し、性能と計算コストのバランスを取った低複雑度の近似最適アルゴリズムを開発すること。
• ユーザーおよびRISの配置が変化する条件下で、RIS-CNOMAが従来のCNOMAおよびRIS-NOMAシステムに比べて果たす性能向上を評価すること。

提案手法

• 合計送信電力を最小化する目的関数と、サービス品質制約および位相シフト離散化制約を含む混合整数非線形プログラミング（MINLP）問題として問題を定式化する。
• 変数を3つの部分問題（ビームフォーミング、リレー電力、位相シフト）に分離するため、交互最適化アプローチを採用する。
• 最適な位相シフトは整数線形プログラミング（ILP）により得られるが、計算複雑度が高くなる。
• 計算複雑度を低減するために、反復的ペナルティ関数に基づく半定値プログラミング（SDP）と逐次的最適化を用いた低複雑度の近似最適アルゴリズムを提案する。
• アルゴリズムはビームフォーミングと位相シフトの最適化を交互に繰り返し、位相シフトは逐次的に更新することで収束性を向上させる。
• 部分勾配法および逐次的最適化解析を用いて、SDPに基づくビームフォーミング最適化および位相シフト最適化プロセスの収束性を理論的に証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビームフォーミング、リレー電力、RIS位相シフトの共同最適化が、ダウンリンクRIS-CNOMAシステムにおける合計送信電力に与える影響は何か？
• RQ2 RIS-CNOMAは、送信電力とユーザーの公平性の観点から、従来のCNOMAに比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ3 RIS-CNOMAの性能はRIS-NOMAと比較してどうか。どのような条件下で優れるか？
• RQ4 低複雑度の近似最適アルゴリズムは、著しく低い計算コストで近最適性能を達成できるか？
• RQ5 ユーザーおよびRISの配置が、RIS-CNOMAとRIS-NOMAの相対的性能に与える影響は何か？

主な発見

• 提案されたRIS-CNOMAシステムは、多様性と信号カバレッジの向上により、従来のCNOMAを大きく上回り、合計送信電力を顕著に低減する。
• 低複雑度の近似最適アルゴリズムは、最適なILPベースの手法と比較して、著しく低い計算複雑度で近最適性能を達成する。
• RIS-CNOMAのRIS-NOMAに対する相対的性能は、一貫して優れているわけではない。ユーザーおよびRISの地理的配置に依存する。
• 数値結果から、提案アルゴリズムが信頼性高く収束し、反復回数に応じて目的関数値が単調に減少することが示された。
• 理論的解析により、SDPに基づくビームフォーミング最適化および逐次的位相シフト最適化プロセスの収束性が確認された。