[論文レビュー] Resource Allocation for Multi-Cell IRS-Aided NOMA Networks

Wanli Ni, Xiao Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 37被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、複数セルIRS支援NOMAネットワークにおける統合的リソース割り当てフレームワークを提案し、反復的アルゴリズムおよびスワップマッチングを用いて、ユーザーの接続、サブチャンネル割り当て、電力割り当て、位相シフト、復号順序を最適化する。結果として、従来のNOMAと比較して35%のスルーレート向上と22%のエネルギー効率向上が達成され、IRSの配置によりスペクトル効率とカバレッジの間で調整可能なトレードオフが実現可能である。

ABSTRACT

This paper proposes a novel framework of resource allocation in multi-cell intelligent reflecting surface (IRS) aided non-orthogonal multiple access (NOMA) networks, where an IRS is deployed to enhance the wireless service. The problem of joint user association, subchannel assignment, power allocation, phase shifts design, and decoding order determination is formulated for maximizing the achievable sum rate. The challenging mixed-integer non-linear problem is decomposed into an optimization subproblem (P1) with continuous variables and a matching subproblem (P2) with integer variables. In an effort to tackle the non-convex optimization problem (P1), iterative algorithms are proposed for allocating transmission power, designing reflection matrix, and determining decoding order by invoking relaxation methods such as convex upper bound substitution, successive convex approximation, and semidefinite relaxation. In terms of the combinational problem (P2), swap matching-based algorithms are developed for achieving a two-sided exchange-stable state among users, BSs and subchannels. Numerical results demonstrate that: 1) the sum rate of multi-cell NOMA networks is capable of being increased by 35% with the aid of the IRS; 2) the proposed algorithms for multi-cell IRS-aided NOMA networks can enjoy 22% higher energy efficiency than conventional NOMA counterparts; 3) the trade-off between spectrum efficiency and coverage area can be tuned by judiciously selecting the location of the IRS.

研究の動機と目的

• 複数セルNOMAネットワークにおける同頻セル干渉とカバレッジの悪さという課題を、知能反射表面（IRS）の統合によって解決すること。
• スルーレート最大化を目的として、ユーザーの接続、サブチャンネル割り当て、電力割り当て、位相シフト、復号順序を統合的に最適化すること。
• 統合的最適化に起因する混合整数非線形プログラミング（MINLP）問題を効率的に処理するアルゴリズムを開発すること。
• IRSの配置戦略により、スペクトル効率とカバレッジの間のトレードオフを実現可能とすること。
• 高密度で干渉制限のある複数セル環境におけるエネルギー効率とシステムスルーレートの向上を図ること。

提案手法

• 複雑なMINLP問題を、連続変数最適化（P1）と整数変数マッチング（P2）の2つの部分問題に分解する。
• 非凸なP1部分問題を反復的に解くために、凸緩和技術（逐次凸近似、半定値緩和、凸上界置換）を適用する。
• 収束保証付きの反復的アルゴリズムを設計し、電力割り当て、IRS位相シフト、復号順序を同時に最適化する。
• スワップマッチングに基づくアルゴリズムを提案し、ユーザー、基地局、サブチャンネル間で二面的交換安定マッチングを実現する。
• 3次元マッチングフレームワークを用いて、ユーザー、基地局、サブチャンネルの統合的関連付けをモデル化し、安定性と公平性を保証する。
• 収束解析を実施し、アルゴリズムの目的関数値が非減少かつ有界であることを証明することで、収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数セルIRS支援NOMAネットワークにおける統合的リソース割り当ては、どのように定式化すればスルーレートを最大化すると同時に同頻セル干渉を管理できるか？
• RQ2 IRSの展開は、複数セルNOMA環境におけるシステムのスペクトル効率とエネルギー効率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 復号順序と電力割り当てをどのように統合的に最適化すれば、IRSを備えたNOMAシステムの公平性とスルーレートを向上できるか？
• RQ4 スルーレートとカバレッジの両立のための最適なIRS配置は何か？
• RQ5 複数セルIRS-NOMA環境において、ユーザー、基地局、サブチャンネル間で安定的かつ効率的なマッチングを達成できるか？

主な発見

• 提案されたIRS支援NOMAフレームワークは、IRSを備えない従来のNOMAと比較して、実現可能なスルーレートを最大35%向上させる。
• 提案されたIRS支援NOMAネットワークでは、従来のNOMAと比較してエネルギー効率が22%向上し、反射素子数M=140のとき13.8%の増加を示す。
• IRSの導入により、特に最適な高さと位置に配置された場合、同頻セル干渉が顕著に低減され、スペクトル効率が向上する。
• IRSがy=35、z=10の位置に配置された場合、従来のNOMAと比較してエネルギー効率が22.8%向上し、最適なIRS配置の利点が明確に示された。
• 反射素子数（M）がエネルギー効率に直接的な正の影響を与える。Mの値が高くなるほど、より大きな向上が得られる。
• スルーレートとカバレッジ領域の間にはトレードオフが存在し、IRSの高さと位置を調整することでそのバランスを調整可能である。特に、高すぎるIRSの位置はパスロスの増加により性能を低下させる。