[논문 리뷰] Joint Beamforming Design in Multi-Cluster MISO NOMA Intelligent Reflecting Surface-Aided Downlink Communication Networks

Yiqing Li, Miao Jiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 24인용 수 47

한 줄 요약

이 논문은 IRS의 도움을 받는 다중 클러스터 MISO NOMA 시스템에 대해 SOCP-ADMM 기반의 결합 빔포밍 설계를 제안하고, 저복잡도 ZF 대안을 포함하여, 역제약하에 총 송신 전력을 최소화한다.

ABSTRACT

Considering intelligent reflecting surface (IRS), we study a multi-cluster multiple-input-single-output (MISO) non-orthogonal multiple access (NOMA) downlink communication network. In the network, an IRS assists the communication from the base station (BS) to all users by passive beamforming. Our goal is to minimize the total transmit power by jointly optimizing the transmit beamforming vectors at the BS and the reflection coefficient vector at the IRS. Because of the restrictions on the IRS reflection amplitudes and phase shifts, the formulated quadratically constrained quadratic problem is highly non-convex. For the aforementioned problem, the conventional semidefinite programming (SDP) based algorithm has prohibitively high computational complexity and deteriorating performance. Here, we propose an effective second-order cone programming (SOCP)-alternating direction method of multipliers (ADMM) based algorithm to obtain the locally optimal solution. To reduce the computational complexity, we also propose a low-complexity zero-forcing (ZF) based suboptimal algorithm. It is shown through simulation results that our proposed SOCP-ADMM based algorithm achieves significant performance gain over the conventional SDP based algorithm. Furthermore, when the number of passive reflection elements is relatively high, our proposed ZF-based suboptimal algorithm also outperforms the SDP based algorithm.

연구 동기 및 목표

• IRS 보조 다중 클러스터 MISO-NOMA 네트워크에서 전력 효율적인 다운링크 전송을 촉진한다.
• 레이트 제약 하에서 BS 송신 빔과 IRS 반사 계수를 공동으로 최적화하는 비선형 QCQP를 정식화하고 해결한다.
• 관리 가능한 복잡도와 함께 지역 최적해를 제공하는 확장 가능한 최적화 프레임워크를 개발한다.
• IRS 요소 수가 증가함에 따라 성능이 잘 나타나는 저복잡도 대안(ZF 기반)을 제공한다.

제안 방법

• 다중 클러스터 MISO-NOMA 설정과 IRS 반사를 포함한 송신 신호 모델을 정식화하고, SIC가 적용된 NOMA에서 셀 간 경계 사용자와 중심 사용자의 SINR을 정의한다.
• 보조 변수와 QoS 제약을 사용하여 비선형 QCQP를 SOCP-ADMM 친화적 형식으로 변환한다.
• ADMM을 적용하여 BS 빔포머와 IRS 계수에 대한 tractable한 SOCP 하문제로 문제를 분해하고, IRS 업데이트를 위한 프로젝션 단계를 포함한다.
• SVD 기반 널 스페이스 설계를 통해 다군 간 간섭 제거를 강제화하여 저복잡도 ZF 기반 부분 최적 알고리즘을 제안한다.
• 보조 변수와 대역 변수에 대한 해석적 폐쇄형 업데이트를 도출하고 제안된 스킴의 계산 복잡도를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 클러스터 MISO-NOMA IRS-지원 다운링크에서 사용자별 전력 요구 사항을 만족시키면서 BS 빔포머와 IRS 반사 계수를 공동 최적화하여 총 송신 전력을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 성능과 복잡도 측면에서 SOCP-ADMM 해가 SDP 기반 접근법과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 특히 IRS 요소 수가 많은 경우 ZF 기반 부분 최적 알고리즘이 전력 효율 측면에서 경쟁력이 있는가?
• RQ4 연속 진폭/위상, 단위 모듈러스 위상, 양자화 위상과 같은 서로 다른 IRS 반사 계수 모델이 최적 설계 및 전력 소비에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SOCP-ADMM 알고리즘은 기존 SDP 기반 방법에 비해 상당한 전력 절감 효과를 보인다.
• 수동 IRS 요소 수가 더 많아지면 일부 시나리오에서 ZF 기반 부분 최적 알고리즘이 SDP 기반 접근법보다 성능이 더 우수하다.
• 제안된 프레임워크는 Case I(연속 진폭/위상), Case II(단위 모듈러스 위상), Case III(양자화 위상) IRS 모델을 수용한다.
• 이 방법은 실용적인 IRS 크기에 대해 실행 가능한 복잡도로 지역 최적해를 제공한다.