[論文レビュー] User Scheduling and Passive Beamforming for FDMA/OFDMA in Intelligent Reflection Surface

Wei Jiang, Hans D. Schotten|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、知能反射表面（IRS）で強化されたFDMA/OFDMAシステムにおけるユーザースケジューリングおよびパassiveビームフォーミングの最適化を調査し、ユーザ数が少ない場合にはスケジューリングが不要であり、ユーザ数が多い場合にはスケジューリングおよびビームフォーミング最適化の両方が不要であることが判明した。これにより、周波数効率がほぼ最適に達成される一方で、システムの大幅な簡素化が可能となる。

ABSTRACT

Most prior works on intelligent reflecting surface (IRS) merely consider point-to-point communications, including a single user, for ease of analysis. Nevertheless, a practical wireless system needs to accommodate multiple users simultaneously. Due to the lack of frequency-selective reflection, namely the set of phase shifts cannot be different across frequency subchannels, the integration of IRS imposes a fundamental challenge to frequency-multiplexing approaches such as frequency-division multiple access (FDMA) and the widely adopted technique called orthogonal FDMA (OFDMA). It motivates us to study (O)FDMA-based multi-user IRS communications to clarify which user scheduling and passive beamforming are favorable under this non-frequency-selective reflection environment. Theoretical analysis and numerical evaluation reveal that (O)FDMA does not need user scheduling when there are a few users. If the number of users becomes large, neither user scheduling nor IRS reflection optimization is necessary. These findings help substantially simplify the design of (O)FDMA-based IRS communications.

研究の動機と目的

• 非周波数選択性のIRSを周波数多重技術（FDMAやOFDMA）と統合する際の課題に対処すること。
• 周波数選択性が限定的であるIRSを備えたFDMA-IRSシステムにおいて、ユーザースケジューリングおよびパassiveビームフォーミング最適化が性能向上に寄与するかを調査すること。
• 特に、サブキャリアごとの位相シフトが制限される実用的ハードウェア制約（特に、サブキャリア別位相シフトの欠如）を考慮した場合の最適システム設計戦略を特定すること。
• スペクトル効率と複雑さの観点から、さまざまなユーザースケジューリングおよびビームフォーミング戦略（例：全探索、ランダム選択、近い/遠いユーザ選択）を比較すること。
• 理論的知見を導出し、数値的に検証することで、将来の6G FDMA/OFDMAネットワークにおけるIRSの展開を簡素化すること。

提案手法

• 基地局（BS）、K台の単一アンテナユーザ、およびN個のパassive反射素子を備えたIRSを有するダウンリンクマルチユーザMIMOシステムを提案する。
• IRSを周波数平坦（非周波数選択性）なパassive反射素子としてモデル化し、サブキャリアごとのビームフォーミングを制限する位相シフト行列Θを導入する。
• 全探索（FDMA-EUS）、ランダム選択（FDMA-RU）、近い/遠いユーザ選択（FDMA-Near/Far）、固定ユーザ選択の各ユーザースケジューリング戦略におけるスペクトル効率を分析する。
• 固定ユーザ選択下で、ユーザ固有のプレコーディングとIRS位相シフトを交互最適化し、約3回の反復で収束を確認した。
• セルセンターおよびセルエッジユーザを含む現実的なシミュレーション環境を構築し、TDMAおよびNOMAをベンチマークとして性能を評価した。
• varyingユーザ数（K=2およびK=20）の下で、理論的スペクトル効率式を導出し、数値結果により検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非周波数選択性のIRS反射を有するFDMA-IRSシステムにおいて、ユーザースケジューリングは性能向上に寄与するか？
• RQ2 FDMA-IRSシステムにおけるスペクトル効率の最大化のため、IRS上のパssiveビームフォーミング最適化は必須か？
• RQ3 ユーザ数が増加するに従い、FDMA-IRSシステムにおけるユーザースケジューリングおよびビームフォーミング最適化の必要性はどのように変化するか？
• RQ4 最適戦略（例：最適位相シフトを伴う全探索ユーザ選択）と低複雑度代替戦略（例：ランダムユーザおよび位相選択）との間の性能ギャップはどの程度か？
• RQ5 高ユーザ密度のFDMA-IRS環境下で、ランダムユーザ選択およびランダム位相シフトがほぼ最適スペクトル効率を達成できるか？

主な発見

• ユーザ数が少ない場合（例：K=2）、ユーザースケジューリングによる利得は最小限であり、最適性能を達成するにはFDMA-IRSでユーザースケジューリングが不要である。
• ユーザ数が多い場合（例：K=20）、ユーザースケジューリングおよびパssiveビームフォーミング最適化の両方が不要であり、ランダム選択でもほぼ最適スペクトル効率が達成され、1 bps/Hz未満の損失にとどまる。
• ランダム位相シフトでさえも、FDMA-IRSは95％確率で15 bps/Hz、50％確率で18.6 bps/Hzのスペクトル効率を達成し、従来のIRSなしFDMAと比較してほぼ3倍の向上を示した。
• 最適位相シフトを伴う全探索ユーザ選択（FDMA-EUS）は、95％確率で19 bps/Hz、50％確率で22.5 bps/Hzを達成し、固定ユーザ選択（近い/遠い）よりもわずかに優れた性能を示した。
• TDMA-IRSは、時間分割ビームフォーミングのおかげで、FDMA-IRSよりも高いスペクトル効率（95％確率で22.18 bps/Hz）を達成したが、FDMA-IRSでランダム選択を用いることで、TDMA-IRS性能の95％以上を達成し、はるかに低い複雑さで実現可能であった。
• これらの結果から、高ユーザ密度領域では、カスケードチャネル推定、IRSチューニング、スマートコントローラバックホールの不要化が可能であり、性能を損なわずシステム設計を大幅に簡素化できることが示唆された。