[論文レビュー] Resource Allocation in Intelligent Reflecting Surface Assisted NOMA Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、チャネル割り当て、復調順序、電力割り当て、反射係数を共同最適化することで、スルーレイとスペクトル効率を最大化するための、3段階のリソース割り当てアルゴリズムを提案する。この手法は、従来のNOMAおよびIRS-OMAシステムと比較して顕著なスペクトル効率の向上を達成しており、最適なIRS設置により性能が向上する。

ABSTRACT

This paper investigates the downlink communications of intelligent reflecting surface (IRS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) systems. To maximize the system throughput, we formulate a joint optimization problem over the channel assignment, decoding order of NOMA users, power allocation, and reflection coefficients. The formulated problem is proved to be NP-hard. To tackle this problem, a three-step novel resource allocation algorithm is proposed. Firstly, the channel assignment problem is solved by a many-to-one matching algorithm. Secondly, by considering the IRS reflection coefficients design, a low-complexity decoding order optimization algorithm is proposed. Thirdly, given a channel assignment and decoding order, a joint optimization algorithm is proposed for solving the joint power allocation and reflection coefficient design problem. Numerical results illustrate that: i) with the aid of IRS, the proposed IRS-NOMA system outperforms the conventional NOMA system without the IRS in terms of system throughput; ii) the proposed IRS-NOMA system achieves higher system throughput than the IRS assisted orthogonal multiple access (IRS-OMA) systems; iii) simulation results show that the performance gains of the IRS-NOMA and the IRS-OMA systems can be enhanced via carefully choosing the location of the IRS.

研究の動機と目的

• IRS支援NOMA下行リンクシステムにおけるシステムスルーレイの最大化という課題に、複数のリソース割り当て変数を共同最適化することで対処する。
• IRS-NOMAシステムにおけるチャネル割り当て、復調順序、電力割り当て、反射係数設計の共同最適化がNP困難であるという課題を克服する。
• 従来のNOMAおよびIRS-OMAシステムよりもスペクトル効率とカバレッジで優れる、低複雑度で近似的最適なソリューションを開発する。
• IRS設置位置がシステム性能に与える影響を調査し、実用的設置を支援する。

提案手法

• チャネル割り当て、復調順序、電力割り当て、IRS反射係数の共同最適化問題を定式化し、これがNP困難であることを証明する。
• ユーザーおよびチャネルの利得に基づく1対多のマッチングアルゴリズムを用いてチャネル割り当てを解決し、安定性と収束性を確保する。
• ユーザーのチャネル利得とIRSによって誘発される位相シフトを活用することで、全探索を回避する低複雑度の復調順序最適化アルゴリズムを提案する。
• 交互最適化と逐次凸近似（SCA）を適用し、電力制約および位相制約の下で電力割り当てと反射係数設計を共同で最適化する。
• マッチングアルゴリズムにおけるスワップ操作を用いたリファインメントを導入し、利得を向上させるとともに収束性を保証する。
• 3段階の逐次最適化を採用する：（1）マッチングに基づくチャネル割り当て、（2）復調順序選択、（3）電力と位相の共同最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS-NOMAシステムにおいて、チャネル割り当て、復調順序、電力割り当て、IRS反射係数を共同最適化することで、システムスルーレイを最大化する方法は何か？
• RQ2 従来のNOMAおよびIRS-OMAシステムと比較して、IRS-NOMAシステムのスペクトル効率における性能向上はどの程度か？
• RQ3 IRSの設置位置がIRS-NOMAシステムのスルーレイに与える影響は何か？
• RQ4 全探索法と比較して、低複雑度のアルゴリズムが近似的最適な性能を達成できるか？
• RQ5 IRSによって誘発されるチャネル強化が、NOMAシステムにおけるユーザーの公平性とスペクトル効率に与える影響は何か？

主な発見

• 提案されたIRS-NOMAシステムは、IRS設置位置が10 mの場合、従来のNOMA（IRSなし）と比較して4.1 bit/s/Hzのシステムスルーレイ向上を達成する。
• IRS設置位置が45 mの場合、より強いIRS-ユーザー間リンクが得られ、スルーレイ向上は6.1 bit/s/Hzに増加する。
• 提案された3段階のアルゴリズムは、全探索法と比較して著しく低い複雑度で近似的最適な性能を達成しており、特にチャネル割り当てにおいて顕著な効果を示す。
• 復調順序最適化アルゴリズムは、全探索法と同等の性能を達成するが、はるかに低い計算コストで実現できる。
• IRS支援NOMAは、IRS-OMAシステムよりもスペクトル効率で優れており、NOMAの多重化ゲインとIRSのチャネル強化の相乗効果を示している。
• システム性能はIRS設置位置に強く依存しており、ユーザーに近い最適な配置により、合成チャネル利得とスルーレイが最大化される。