[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface for Downlink Non-Orthogonal Multiple Access Networks

Min Fu, Yong Zhou외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 23인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 다운링크 비정규 다중접속(NOMA) 네트워크에서 기지국의 비드포밍과 지능형 반사 표면(IRS)의 위상 시프트를 동시에 최적화하여 총 전송 전력의 최소화를 목표로 하는 교대형 차분-볼록(DC) 프로그래밍 방법을 제안한다. 이 방법은 질량-일차 제약 조건의 정확한 DC 표현을 활용하여, 준정형 프로그래밍(SDR) 및 무작위 위상 시프트 방법에 비해 뛰어난 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) has recently been recognized as a promising technology to enhance the energy and spectrum efficiency of wireless networks by controlling the wireless medium with the configurable electromagnetic materials. In this paper, we consider the downlink transmit power minimization problem for a IRS-empowered non-orthogonal multiple access (NOMA) network by jointly optimizing the transmit beamformers at the BS and the phase shift matrix at the IRS. However, this problem turns out to be a highly intractable non-convex bi-quadratic programming problem, for which an alternative minimization framework is proposed via solving the non-convex quadratic programs alternatively. We further develop a novel difference-of-convex (DC) programming algorithm to solve the resulting non-convex quadratic programs efficiently by lifting the quadratic programs into rank-one constrained matrix optimization problems, followed by representing the non-convex rank function as a DC function. Simulation results demonstrate the performance gains of the proposed method.

연구 동기 및 목표

• IRS를 활용한 다운링크 NOMA 네트워크에서 고차원, 비볼록인 이차형 전송 전력 최소화 문제를 해결하기 위해.
• 사용자 품질보증(QoS) 제약 조건 하에 기지국의 능동적 비드포밍과 IRS의 수동적 위상 시프트를 동시에 최적화하기 위해.
• 고차원 환경에서 SDR의 성능 한계를 극복하기 위해 더 정확한 질량-일차 제약 조건 표현을 개발하기 위해.
• 교대 최적화 프레임워크에서 발생하는 비볼록 이차 프로그래밍 문제를 효율적이고 실현 가능한 방법으로 해결하기 위해.

제안 방법

• 기지국의 비드포밍 벡터와 IRS의 위상 시프트 행렬을 반복적으로 갱신하는 교대 최적화 프레임워크를 사용한다.
• 매트릭스 리프팅을 통해 비볼록 이차제약 이차계획문(QCQP) 하위 문제를 질량-일차 제약 조건이 있는 행렬 최적화 문제로 변환한다.
• 트레이스 노름과 스펙트럴 노름의 차이를 활용하여 비볼록 질량-일차 제약 조건을 볼록 함수의 차분으로 표현한다.
• 유도된 비볼록 DC 프로그래밍 문제를 효율적이고 정확하게 해결하기 위한 새로운 DC 알고리즘을 개발한다.
• 질량-일차 제약 조건의 정확한 DC 표현을 활용하여 SDR 기반 방법에서 흔히 발생하는 질량 부족 및 성능 저하 문제를 방지한다.
• 수렴 가능한 타당한 고품질 해를 확보하기 위해 비드포밍 및 위상 시프트 최적화 하위 문제를 교대 방식으로 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS를 활용한 NOMA 네트워크에서 비볼록 비드포밍 및 위상 시프트 최적화 문제를 해결하는 데 있어, 교대형 DC 프로그래밍 방법이 기존의 준정형 프로그래밍(SDR)보다 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ2 제안된 방법은 기지국 비드포밍과 위상 시프트 최적화를 통합한 전송 전력 최소화 문제의 해결이 불가능한 이차형 비볼록 성질을 어떻게 다루는가?
• RQ3 전송 전력 절감 측면에서 제안된 방법은 무작위 위상 시프트 및 SDR 기반 방법에 비해 얼마나 높은 성능 향상을 달성하는가?
• RQ4 기지국 안테나 수(M)와 IRS 반사 요소 수(N)의 증가가 시스템의 전송 전력 성능에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 교대형 DC 방법은 SDR 방법이 테스트 시나리오에서 세 번째 반복 이후 타당한 해를 반환하지 못하는 것과는 달리, 안정적으로 수렴하며 정확한 질량-일차 해를 달성한다.
• 특히 SDR 성능이 저하되는 고차원 환경에서, 제안된 방법은 SDR 기반 방법보다 총 전송 전력을 크게 절감한다.
• 기지국 안테나 수(M)를 늘일수록 전송 전력은 단조 감소하는 경향을 보이며, 이는 더 큰 MIMO 어레이의 이점이 있음을 시사한다.
• IRS 반사 요소 수(N)를 늘일수록 전송 전력은 급격히 감소하며, 이는 더 큰 IRS 어레이가 강력한 성능 향상을 가져옴을 나타낸다.
• IRS를 활용한 NOMA 네트워크는 IRS 없이 구현된 전통적 NOMA 네트워크보다 우수한 성능을 보이며, 이는 IRS가 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성 향상에 핵심적인 역할을 함을 확인한다.
• 모든 구성에서 제안된 방법은 무작위 위상 시프트 방법보다 낮은 전송 전력을 달성하며, 이는 통합 최적화의 필요성을 입증한다.