[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided mmWave NOMA: Joint Power Allocation,Phase Shifts, and Hybrid Beamforming Optimization

Yue Xiu, Jun Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 42被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、再構成可能知的表面（RIS）を支援するミリ波非直交多重アクセス（NOMA）システムのための共同最適化フレームワークを提案する。ユーザーのサービス品質および送信電力制約のもとで、スルーレートを最大化するために、電力割り当て、RIS位相シフト、ハイブリッドビームフォーミングを共同で最適化する。提案された交互最適化アルゴリズムは、最先端の手法と比較して優れたスルーレート性能を達成しており、RISがミリ波-NOMAシステムの性能向上に有効であることを示している。

ABSTRACT

In this paper, an reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided millimeter wave (mmWave) non-orthogonal multiple access (NOMA) system is considered. In particular, we consider an RIS-aided mmWave-NOMA downlink system with a hybrid beamforming structure. To maximize the achievable sum-rate under a minimum rate constraint for the users and a minimum transmit power constraint, a joint RIS phase shifts, hybrid beamforming, and power allocation problem is formulated. To solve this non-convex optimization problem, we develop an alternating optimization algorithm. Specifically, first, the non-convex problem is transformed into three subproblems, i.e., power allocation, joint phase shifts and analog beamforming optimization, and digital beamforming design. Then, we solve the power allocation problem under fixed phase shifts of the RIS and hybrid beamforming. Finally, given the power allocation matrix, an alternating manifold optimization (AMO)-based method and a successive convex approximation (SCA)-based method are utilized to design the phase shifts, analog beamforming, and transmit beamforming, respectively. Numerical results reveal that the proposed alternating optimization algorithm outperforms state-of-the-art schemes in terms of sum-rate. Moreover, compared to a conventional mmWave-NOMA system without RIS, the proposed RIS-aided mmWave-NOMA system is capable of improving the achievable sum-rate of the system.

研究の動機と目的

• 再構成可能知的表面（RIS）を統合することで、ミリ波-NOMAシステムにおけるユーザー数制限の解消と高い経路損失の低減を図り、スペクトル効率と信頼性の向上を実現する。
• ミリ波-NOMAにおける深刻な経路損失、遮蔽、強い干渉の課題を、RISによる信号強化と柔軟なユーザースケジューリングによって克服する。
• 最小レート制約および送信電力制約のもとで、システムのスルーレートを最大化するための、RIS位相シフト、ハイブリッドビームフォーミング、電力割り当ての共同最適化問題を定式化する。
• 非凸問題を扱いやすい部分問題に分解するための交互最適化アルゴリズムを開発し、反復的に解を求める。
• スルーレートおよびスペクトル効率の観点から、従来のミリ波-NOMAおよび既存のRIS支援手法と比較して、RIS支援ミリ波-NOMAの性能向上を実証する。

提案手法

• QoSおよび電力制約のもとで、スルーレートを最大化する非凸最適化問題を、RIS位相シフト、ハイブリッドビームフォーミング（アナログおよびデジタル）および電力割り当ての共同最適化として定式化する。
• 共同問題を3つの部分問題に分解する：固定されたRISおよびビームフォーミングのもとでの電力割り当て、RIS位相シフトとアナログビームフォーミングの共同最適化、デジタルビームフォーミング設計。
• 逐次凸近似（SCA）を用いて、デジタルビームフォーミング設計の非凸問題を繰り返し凸近似し、局所最適解への収束を保証する。
• Riemann多様体上の位相シフト制約の多様体を活用し、交互多様体最適化（AMO）を用いてRIS位相シフトとアナログビームフォーミングを共同最適化する。
• 電力割り当て、RIS位相シフト、ビームフォーミング行列を反復的に更新する交互最適化アルゴリズムを提案し、KKT点への収束を保証する。
• ランク1制約を凸形式に変換するための半定値緩和および行列リフト技術を活用し、凸緩和とSCAを用いて効率的な最適化を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIS支援ミリ波-NOMAは、RISを備えない従来のミリ波-NOMAよりも高いスルーレートを達成できるか？
• RQ2 電力割り当て、RIS位相シフト、ハイブリッドビームフォーミングの共同最適化は、ミリ波-NOMAにおけるスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ3 提案された交互最適化アルゴリズムは、最先端の手法と比較して、スルーレートおよび収束特性においてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ4 RISは、有効チャネルをどの程度再構成可能であり、ミリ波-NOMAにおけるユーザーの公平性向上およびユーザー数の増加をどの程度可能にするか？
• RQ5 提案されたアルゴリズムはKKT解に収束するか？その数学的証明はどのように行われるか？

主な発見

• 提案された交互最適化アルゴリズムは、既存の最先端手法と比較して高いスルーレートを達成しており、RIS支援ミリ波-NOMAシステムにおける優れたスペクトル効率を示している。
• 数値結果から、RIS支援ミリ波-NOMAシステムは、RISを備えない従来のミリ波-NOMAと比較して顕著に優れており、特に高経路損失および遮蔽が顕著な環境下で顕著な性能向上を示す。
• RIS位相シフトとビームフォーミングの共同最適化により、有効チャネルの再構成が可能となり、柔軟なユーザースケジューリングが実現され、ユーザーの公平性とシステム容量が向上する。
• 最適化ステップにおけるテイラー展開および微分マッチングを用いた数学的証明により、アルゴリズムがKKT点に収束することが保証されており、理論的収束保証が得られている。
• SCAおよびAMOの活用により、非凸部分問題の効率的かつ安定した最適化が可能となり、SCAに基づく手法はデジタルビームフォーミングにおいてほぼ最適性能を達成する。
• 行列リフトおよび半定値緩和を用いたランク1制約の変換により、凸近似が可能となり、もともと取り扱いが困難な非凸問題に対しても、取り扱い可能な解法が得られる。