[논문 리뷰] Performance Analysis of Intelligent Reflecting Surface Assisted NOMA Networks

Xinwei Yue, Yuanwei Liu|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 45인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 1비트 코딩 방식을 사용한 지능형 반사면(Invisible Reflecting Surface, IRS) 기반 비직교 다중접근(NOMA) 네트워크의 성능 분석을 제안한다. 완전한 및 불완전한 연속 간섭 제거(pSIC/ipSIC) 조건 하에서 비휴지율 확률과 에르고딕 속도에 대한 정확한 및 점 渐진적 표현을 유도하며, IRS-NOMA가 IRS-OMA 및 중계 기반 방식보다 우수한 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 달성함을 보여주며, 다각도는 반사 요소의 수와 채널 순서에 따라 달라진다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising technology to enhance the coverage and performance of wireless networks. We consider the application of IRS to non-orthogonal multiple access (NOMA), where a base station transmits superposed signals to multiple users by the virtue of an IRS. The performance of an IRS-assisted NOMA networks with imperfect successive interference cancellation (ipSIC) and perfect successive interference cancellation (pSIC) is investigated by invoking 1-bit coding scheme. In particular, we derive new exact and asymptotic expressions for both outage probability and ergodic rate of the m-th user with ipSIC/pSIC. Based on analytical results, the diversity order of the m-th user with pSIC is in connection with the number of reflecting elements and channel ordering. The high signal-to-noise radio (SNR) slope of ergodic rate for the $m$-th user is obtained. The throughput and energy efficiency of non-orthogonal users for IRS-NOMA are discussed both in delay-limited and delay-tolerant transmission modes. Additionally, we derive new exact expressions of outage probability and ergodic rate for IRS-assisted orthogonal multiple access (IRS-OMA). Numerical results are presented to substantiate our analyses and demonstrate that: i) The outage behaviors of IRS-NOMA are superior to that of IRS-OMA and relaying schemes; ii) With increasing the number of reflecting elements, IRS-NOMA is capable of achieving enhanced outage performance; and iii) The M-th user has a larger ergodic rate compared to IRS-OMA and benchmarks. However, the ergodic performance of the $m$-th user exceeds relaying schemes in the low SNR regime.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 및 완전한 연속 간섭 제거(ipSIC/pSIC) 조건 하에서 IRS 보조 NOMA 네트워크의 성능을 분석하는 것.
• IRS-NOMA에서 m번째 사용자의 비휴지율 및 에르고딕 속도에 대한 정확한 및 점 渐진적 표현을 유도하는 것.
• 지연 제한 및 지연 용납 전송 모드에서 IRS가 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 통과량 및 에너지 효율성 측면에서 IRS-NOMA를 IRS-OMA 및 협동 중계 방식과 비교하는 것.
• IRS-NOMA에서 m번째 사용자의 에르고딕 속도에 대한 다각도 순서와 고신호대역비(SNR) 기울기를 설정하는 것.

제안 방법

• IRS의 위상 보정에 1비트 코딩 방식을 사용하여 m번째 사용자의 비휴지율 및 에르고딕 속도에 대한 새로운 정확한 및 점 渐진적 표현을 유도한다.
• 순서 통계 및 일반화된 감마 분포를 사용하여 IRS-NOMA에서 m번째 사용자의 채널 이득을 모델링한다.
• 변형된 제2종 베셀 함수를 포함한 에르고딕 속도 적분을 수치적으로 평가하기 위해 가우스-체비셰프 적분법을 적용한다.
• IRS 반사 계수를 1비트 위상 보정으로 모델링하여 활성 전송 없이 저복잡도 신호 반사를 가능하게 한다.
• pSIC 및 ipSIC 조건 하에서 종단 간 신호대간섭비합잡음비(SINR)의 누적분포함수(CDF)에 대한 닫힌 형태 표현을 유도한다.
• 에르고딕 속도의 고신호대역비 기울기와 다각도 순서를 분석하며, 반사 요소의 수와 채널 순서에 따라 달라짐을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 SIC 조건 하에서 IRS-NOMA의 비휴지율 성능은 IRS-OMA 및 협동 중계 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 완전한 SIC 조건 하에서 IRS-NOMA의 m번째 사용자의 다각도 순서는 무엇이며, 반사 요소의 수와 사용자 간 채널 순서에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 IRS-NOMA에서 m번째 사용자의 고신호대역비 기울기는 무엇이며, 기준 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 지연 제한 및 지연 용납 모드에서 IRS-NOMA의 에너지 효율성은 전통적인 협동 통신 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 IRS-OMA에서 비휴지율 및 에르고딕 속도에 대한 정확한 표현은 무엇이며, IRS-NOMA와 어떻게 다를까?

주요 결과

• IRS-NOMA는 고신호대역비 영역에서 특히 IRS-OMA 및 중계 방식보다 뛰어난 비휴지율 성능을 달성한다.
• IRS-NOMA에서 M번째 사용자는 IRS-OMA 및 기준 방식보다 높은 에르고딕 속도를 확보하며, 저신호대역비 영역에서는 중계 방식을 초월한다.
• pSIC 조건 하에서 m번째 사용자의 다각도 순서는 반사 요소의 수와 사용자 간 채널 순서에 직접적으로 연관되어 있다.
• m번째 사용자에 대한 에르고딕 속도의 고신호대역비 기울기가 유도되었으며, 고신호대역비에서 유리한 스펙트럼 효율성 스케일링을 나타낸다.
• 특히 고속 전송 시나리오에서 전통적인 협동 통신 방식에 비해 IRS-NOMA는 향상된 에너지 효율성을 보여준다.
• IRS-OMA에서 비휴지율 및 에르고딕 속도에 대한 정확한 표현이 유도되었으며, 이는 IRS-NOMA와의 직접적인 성능 비교를 가능하게 한다.