[논문 리뷰] Exploiting Intelligent Reflecting Surfaces in Multi-Antenna Aided NOMA Systems

Xidong Mu, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 30.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 52

한 줄 요약

이 논문은 이상적이고 비이상적인 IRS 제약 조건 하에서 IRS를 활용한 NOMA 시스템에서 합성 속도를 최대화하기 위해 공동 활성 및 수동 beamforming 최적화를 제안한다. 교대 최적화와 순차적 볼록 근사 및 랭크-일치 이완 기법을 사용함으로써, 저해상도 단계 이격기조차도 거의 이상적인 성능를 달성하며, 정규 다중접근 시스템보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

This paper investigates a downlink multiple-input single-output intelligent reflecting surface (IRS) aided non-orthogonal multiple access (NOMA) system, where a base station (BS) serves multiple users with the aid of IRSs. Our goal is to maximize the sum rate of all users by jointly optimizing the active beamforming at the BS and the passive beamforming at the IRS, subject to successive interference cancellation decoding rate conditions and IRS reflecting elements constraints. In term of the characteristics of reflection amplitudes and phase shifts, we consider ideal and non-ideal IRS assumptions. To tackle the formulated non-convex problems, we propose efficient algorithms by invoking alternating optimization, which design the active beamforming and passive beamforming alternately. For the ideal IRS scenario, the two subproblems are solved by invoking the successive convex approximation technique. For the non-ideal IRS scenario, constant modulus IRS elements are further divided into continuous phase shifts and discrete phase shifts. To tackle the passive beamforming problem with continuous phase shifts, a novel algorithm is developed by utilizing the sequential rank-one constraint relaxation approach, which is guaranteed to find a locally optimal rank-one solution. Then, a quantization-based scheme is proposed for discrete phase shifts. Finally, numerical results illustrate that: i) the system sum rate can be significantly improved by deploying the IRS with the proposed algorithms; ii) 3-bit phase shifters are capable of achieving almost the same performance as the ideal IRS; iii) the proposed IRS-aided NOMA systems achieve higher system sum rate than the IRS-aided orthogonal multiple access system.

연구 동기 및 목표

• 지능형 반사 표면(IRS)으로 향상된 다중 안테나 NOMA 시스템에서의 합성 속도를 최대화하기 위해.
• 실제 IRS 제약 조건 하에서 기지국의 활성 beamforming과 IRS의 수동 beamforming을 공동으로 최적화하기 위해.
• 이상적인 IRS(연속적 단계 이격)와 비이상적인 IRS(이산적 단계 이격) 시나리오를 모두 다루며, 현실적인 하드웨어 제약 조건을 고려하기 위해.
• 비볼록 성질을 지닌 최적화 문제에도 불구하고 고품질의 해에 수렴하는 효율적인 알고리즘 개발을 위해.

제안 방법

• 복잡한 공동 문제를 분리하기 위해 활성 beamforming과 수동 beamforming을 번갈아가며 반복적으로 해결하기 위해 교대 최적화를 사용한다.
• 이상적인 IRS 케이스에서 비볼록 하위문제인 활성 beamforming을 다루기 위해 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 적용한다.
• 비이상적인 IRS의 연속적 단계 이격에 대해 국소적으로 최적의 랭크-일치 해를 찾기 위해 새로운 순차적 랭크-일치 제약 조건 이완 방법을 적용한다.
• 이산적 단계 이격을 다루기 위해 양자화 기반 기법을 설계하여 실용적 구현을 가능하게 한다.
• 신뢰할 수 있는 사용자 검출을 보장하기 위해 순차적 인터페런스 제거(SIC) 디코딩 속도 제약 조건을 통합한다.
• 실제 단계 이격기 모델을 반영하기 위해 IRS 반사 계수의 일정 모듈러스 제약 조건을 준수한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS-보조 NOMA 시스템에서 공동 활성 및 수동 beamforming 최적화는 합성 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이산적 단계 이격을 가진 비이상적인 IRS 하드웨어가 연속적 단계 이격을 가진 이상적인 IRS의 성능을 어느 정도 근접할 수 있는가?
• RQ3 저해상도 단계 이격기(예: 3비트)가 NOMA 시스템에서 거의 이상적인 IRS 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 IRS-보조 NOMA 시스템은 IRS-보조 정규 다중접근(OMA) 시스템에 비해 합성 속도에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 공동 beamforming 알고리즘이 IRS-보조 NOMA 시스템에서 기존의 방법들보다 시스템 합성 속도를 크게 향상시킨다.
• 3비트 단계 이격기가 이상적인 IRS와 거의 동일한 합성 속도 성능를 달성하며, 저해상도 하드웨어의 효과성을 입증한다.
• 제안된 IRS-보조 NOMA 시스템은 합성 속도 측면에서 IRS-보조 OMA 시스템을 능가하며, NOMA의 스펙트럼 효율성 향상을 입증한다.
• 순차적 랭크-일치 이완 알고리즘이 연속적 단계 이격 IRS에 대해 국소적으로 최적의 해를 성공적으로 찾으며 수렴성과 성능를 보장한다.
• 이산적 단계 이격을 위한 양자화 기반 기법은 최소한의 성능 손실로 실용적이고 효과적인 해법을 제공한다.
• 교대 최적화 프레임워크는 비볼록 문제를 효율적으로 해결하며 성능와 계산 복잡도 사이의 균형을 잘 유지한다.