[논문 리뷰] A Simple Design of IRS-NOMA Transmission

Zhiguo Ding, H. Vincent Poor|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 7인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 IRS의 위상 보정을 통해 사용자들의 채널 벡터를 정렬함으로써 동일한 공간 비트에서 다수의 사용자를 서비스할 수 있도록 하는 지능형 반사 표면(IIRS) 지원 비직교 다중접근(NOMA) 기법을 제안한다. 주요 기여는 유한 해상도 위상 보정기기로 인한 하드웨어 제약에도 불구하고 높은 스펙트럼 효율성과 향상된 연결성을 달성하는 실용적인 설계이며, 분석적 외상 확률을 유도하고 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

ABSTRACT

This letter proposes a simple design of intelligent reflecting surface (IRS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) transmission, which can ensure that more users are served on each orthogonal spatial direction than spatial division multiple access (SDMA). In particular, by employing IRS, the directions of users' channel vectors can be effectively aligned, which facilitates the implementation of NOMA. Both analytical and simulation results are provided to demonstrate the performance of the proposed IRS-NOMA scheme and also study the impact of hardware impairments on IRS-NOMA.

연구 동기 및 목표

• 기존의 SDMA는 공간 방향당 하나의 사용자만 서비스할 수 있는 한계를 해결하기 위해, 동일한 비트에서 다수의 사용자를 서비스할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.
• IIRS가 사용자들의 채널 벡터를 동적으로 정렬하여 NOMA 전송을 가능하게 하고, 고정된 전파 유도 정규성 제약을 극복할 수 있는지 탐색한다.
• 특히 유한 해상도 위상 보정기기로 인한 하드웨어 제약 하에서 실용적인 IIRS-NOMA 시스템의 성능을 특성화한다.
• IIRS-NOMA의 분석적 외상 확률 표현을 유도하고, 시뮬레이션을 통해 이를 검증한다.

제안 방법

• N개의 재구성 가능한 반사 요소를 갖는 IIRS를 사용하여 신호의 위상 보정을 조정함으로써, 다수 사용자의 유효 채널 벡터를 정렬한다.
• 기지국에서는 제로포지션 빔포밍을 사용하여 K명의 근접 사용자를 서비스하고, 각 비트에 추가로 한 명의 셀 엣지 사용자를 IIRS 지원 NOMA를 통해 서비스한다.
• 각 셀 엣지 사용자의 수신 신호를 IIRS 반사 계수, 채널 행렬 및 전력 할당 계수의 함수로 모델링한다.
• 인터유저 간섭과 노이즈를 고려한 사용자 복원을 위한 SINR 표현식을 유도하고, 통계적 채널 상태 정보 기반으로 외상 확률을 수립한다.
• 스토하스틱 기하학과 특수 함수(예: 수정 베셀 함수)를 적용하여, 다양한 IIRS 빔포밍 전략 하에서 외상 확률의 폐쇄형 표현식을 도출한다.
• 이deal 빔포밍과 실용적인 온오프 및 이산 푸리에 변환(DFT) 기반 위상 보정 전략을 비교하여 하드웨어 제약 하에서의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IIRS를 사용하여 다수 사용자의 유효 채널 벡터를 정렬하여 동일한 공간 비트에서 NOMA 전송을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 IIRS에서 유한 해상도 위상 보정기기를 사용할 경우 NOMA 시스템의 외상 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 하드웨어 제약 하에서 IIRS-NOMA의 다양성 이득과 오차 평면(오차 평면) 행동은 어떠한가?
• RQ4 다양한 IIRS 빔포밍 전략(예: 온오프 대비 DFT)이 시스템 외상 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 유도된 분석적 외상 확률 표현식은 실용적인 IIRS-NOMA 시스템의 성능을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 IIRS-NOMA 기법은 동일한 공간 비트에서 다수의 사용자를 서비스함으로써 기존의 SDMA보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 이deal 빔포밍의 경우 전송 전력 증가에 따라 외상 확률을 0으로 줄일 수 있으며, 이는 완전한 다양성 이득을 의미한다.
• 유한 해상도 위상 보정기기를 갖는 실용적 IIRS-NOMA 시스템은 전력 증가로도 제거되지 않는 오차 평면을 나타낸다.
• Lemma 2의 분석적 근사에 따르면, IIRS 반사 요소 수 N을 증가시킴으로써 오차 평면을 완화할 수 있다.
• 온오프 IIRS 빔포밍 전략은 단일 및 다중 사용자 시나리오에서 DFT 기반 접근보다 외상 성능에서 뛰어나다.
• Lemma 1과 Lemma 2에서 유도된 분석적 외상 확률 표현식은 시뮬레이션 결과와 매우 유사하여 정확성과 타당성을 확인하였다.