[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Enhanced Millimeter-Wave NOMA Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 04.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 인텔리전트 반사 표면(IR)을 활용한 밀리미터 웨이브(NOMA) 시스템에서 동시 활성 beamforming, 수동 beamforming, 전력 할당 최적화를 제안한다. 교차 최적화와 순차적 볼록 근사 알고리즘을 사용하여, 특히 직시선이 차단된 상황에서 높은 총 데이터율 향상을 달성하며, 5비트 이산 단계 반사 위상이 연속적 위상 반사 성능을 거의 정확히 모의할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, a downlink intelligent reflecting surface (IRS) enhanced millimeter-wave (mmWave) non-orthogonal multiple access (NOMA) system is considered. A joint optimization problem over active beamforming, passive beamforming and power allocation is formulated. Due to the highly coupled variables, the formulated optimization problem is non-convex. To solve this problem, an alternative optimization and successive convex approximation based iterative algorithm is proposed. Numerical results illustrate that: 1) the proposed scheme offers significant sum-rate gains, which confirms the effectiveness of introducing IRS for mmWave-NOMA systems; 2) the proposed algorithm with discrete phase shifts can achieve close performance to that of continuous phase shifts.

연구 동기 및 목표

• 기지국(BS)과 사용자 간의 직접 링크가 차단될 경우 발생하는 mmWave-NOMA 시스템의 낮은 커버리지 문제를 해결한다.
• 지능형 반사 표면(IR)을 도입하여 반사 링크를 생성하고 스펙트럼 효율성과 시스템 커버리지 향상을 도모한다.
• 총 데이터율을 최대화하기 위해 활성 beamforming, 수동 beamforming, 전력 할당을 포함한 비볼록 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 결합된 비볼록 문제를 해결하기 위해 교차 최적화와 순차적 볼록 근사(ScA) 기반의 반복적 알고리즘을 개발한다.
• mmWave-NOMA 시스템에서 IRS의 성능 향상 효과와 위상 반사 해상도와 총 데이터율 간의 실용적 트레이드오프를 평가한다.

제안 방법

• 기지국-사용자 간 직접 링크가 없는 다운링크 IRS 보조 mmWave-NOMA 시스템을 수립하며, 신호 반사를 위해 IRS에 의존한다.
• 경로 손실과 쉐이딩을 고려한 Rician fading 채널 모델을 사용하며, BS-IRS 및 IRS-사용자 링크에 대해 각각 3개의 전파 경로를 가정한다.
• 비볼록 총 데이터율 최대화 문제를 순차적 볼록 근사(ScA)를 통해 반복적으로 볼록 하위문제로 근사한다.
• 교차 최적화를 적용하여 공동 문제를 세 개의 하위문제로 분리한다: 활성 beamforming, 수동 beamforming(위상 이격), 전력 할당.
• 실제 하드웨어 제약 조건을 반영하기 위해 유한한 B비트 해상도 값 집합(예: 0, 2π/2^B, ..., 2π(2^B−1)/2^B)을 사용해 이산적 위상 반사를 구현한다.
• 수렴이 보장될 때까지 각 하위문제를 반복적으로 해결하며, 목적 함수 값 추적을 통해 수렴 여부를 모니터링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 링크가 차단된 상황에서 IRS 도입이 mmWave-NOMA 시스템의 총 데이터율 향상에 뚜렷한 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 제안된 동시 활성/수동 beamforming 및 전력 할당 알고리즘이 비볼록 최적화 문제를 효과적으로 해결하는가?
• RQ3 IRS 보조 mmWave-NOMA 시스템에서 연속적 위상 반사와 이산적 위상 반사 간의 성능 격차는 얼마나 되는가?
• RQ4 IRS 반사 요소의 수가 시스템 총 데이터율과 수렴 속도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 스펙트럼 효율 측면에서 제안된 IRS-NOMA 기법이 ZF 기반 beamforming 및 IRS-OMA와 비교해 어떻게 성능을 냅니다?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 IRS 요소 수나 전송 전력에 관계없이 일반적으로 10~15회 반복 내에 신속히 수렴한다.
• IRS 반사 요소의 수가 증가할수록 시스템 총 데이터율이 증가함을 확인하여, 더 많은 수동 요소가 신호 반사 및 시스템 용량 향상에 기여함을 입증한다.
• ZF 기반 알고리즘보다 제안된 방법이 우수한 성능을 보이며, 이는 ZF 접근 방식에서 최적화되지 않은 활성 beamforming 때문임을 확인한다.
• IRS-NOMA 시스템은 IRS-OMA보다 더 높은 총 데이터율을 달성하여, NOMA의 동시 다중 사용자 전송 방식이 스펙트럼 효율 향상에 기여함을 확인한다.
• 5비트 위상 반사 해상도를 사용할 경우, 이산적 위상 반사 방법이 연속적 위상 반사의 상한선 성능에 거의 근접한 총 데이터율을 달성함을 확인하여 실용적 타당성을 입증한다.
• 해상도가 높아질수록 이산적 및 연속적 위상 반사 간 성능 격차가 감소함을 확인하여, 더 높은 해상도 위상 반사가 더 나은 beamforming 성능 향상에 효과적임을 검증한다.