[논문 리뷰] Power Efficient IRS-Assisted NOMA

Jianyue Zhu, Yongming Huang외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 26.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 35인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성을 향상시키고 전송 전력을 감소시키기 위해 지능형 반사 표면(IUS)을 활용한 다중 입력 단일 출력(MISO) 비직교 다중접근(NOMA) 시스템을 제안한다. 복합적으로 빔포밍 벡터와 IRS 위상 이득을 최적화함으로써, 개선된 준열화 조건 하에서 용량을 달성하는 성능을 달성하며, 대부분의 시나리오에서 제로포지션 빔포밍(ZFBF)보다 뛰어나며 최적 성능을 위한 하이브리드 NOMA 전송을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a downlink multiple-input single-output (MISO) transmission scheme, which is assisted by an intelligent reflecting surface (IRS) consisting of a large number of passive reflecting elements. In the literature, it has been proved that nonorthogonal multiple access (NOMA) can achieve the capacity region when the channels are quasi-degraded. However, in a conventional communication scenario, it is difficult to guarantee the quasi-degradation, because the channels are determined by the propagation environments and cannot be reconfigured. To overcome this difficulty, we focus on an IRS-assisted MISO NOMA system, where the wireless channels can be effectively tuned. We optimize the beamforming vectors and the IRS phase shift matrix for minimizing transmission power. Furthermore, we propose an improved quasi-degradation condition by using IRS, which can ensure that NOMA achieves the capacity region with high possibility. For a comparison, we study zero-forcing beamforming (ZFBF) as well, where the beamforming vectors and the IRS phase shift matrix are also jointly optimized. Comparing NOMA with ZFBF, it is shown that, with the same IRS phase shift matrix and the improved quasi-degradation condition, NOMA always outperforms ZFBF. At the same time, we identify the condition under which ZFBF outperforms NOMA, which motivates the proposed hybrid NOMA transmission. Simulation results show that the proposed IRS-assisted MISO system outperforms the MISO case without IRS, and the hybrid NOMA transmission scheme always achieves better performance than orthogonal multiple access.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 효율성을 향상시키고 전송 전력을 감소시키기 위해 지능형 반사 표면(IUS)을 활용한 다중 입력 단일 출력(MISO) 비직교 다중접근(NOMA) 시스템을 제안한다.
• 지능형 반사 표면(IUS)을 활용해 무선 채널을 능동적으로 재구성하고 NOMA를 위한 제어 가능한 사용자 채널 정렬을 가능하게 한다.
• MISO-NOMA 시스템에서 다운링크 전송 전력을 최소화하기 위해 빔포밍 벡터와 IUS 위상 이득 행렬을 병렬 최적화한다.
• IUS에 의해 가능해지는 새로운 준열화 조건을 수립하여 NOMA가 더러운 종이 코딩(DPC)과 동일한 성능을 달성할 수 있도록 보장한다.
• NOMA와 ZFBF를 비교하고, 오р토곤럴 다중접근를 능가하는 하이브리드 NOMA 전송 방식을 제안한다.

제안 방법

• IUS를 활용한 MISO-NOMA 시스템을 제안하며, IUS의 수동 반사 요소들이 효과적인 채널 응답을 재구성하여 제어 가능한 사용자 채널 정렬을 가능하게 한다.
• IUS 위상 이득에 의존하는 새로운 준열화 조건을 도입하여, 채널이 본질적으로 열화되어 있지 않더라도 NOMA가 DPC 수준의 성능을 달성할 수 있도록 한다.
• 서비스 품질(QoS) 비율 제약 조건 하에서 총 전송 전력을 최소화하기 위해 빔포밍 벡터와 IUS 위상 이득을 병렬 최적화하는 문제를 해결한다.
• 주어진 IUS 위상 이득 하에서 Moore-Penrose 의사역행렬을 사용하여 빔포밍 벡터에 대한 닫힌 형태의 해를 유도함으로써 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 동일한 IUS 위상 이득 행렬 조건 하에서 NOMA와 ZFBF를 비교하고, 개선된 준열화 조건이 만족될 경우 NOMA가 항상 ZFBF를 능가함을 보여준다.
• 채널 조건에 따라 NOMA와 ZFBF 중에서 선택하는 하이브리드 NOMA 전송 방식을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IUS를 사용하여 무선 채널을 능동적으로 재구성하여 NOMA 시스템에서 준열화를 가능하게 하고, 용량을 달성할 수 있는가?
• RQ2 빔포밍과 IUS 위상 이득의 병렬 최적화가 MISO-NOMA 시스템에서 전력 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 IUS를 활용한 시스템에서 언제 NOMA가 ZFBF를 능가하고, 언제 ZFBF가 여전히 우월한가?
• RQ4 기존의 MISO-NOMA 시스템과 비교했을 때 IUS를 활용한 NOMA의 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 동적 채널 조건에 따라 NOMA와 ZFBF 간에 전환 가능한 하이브리드 NOMA 전송 방식을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 IUS를 활용한 NOMA 시스템은 개선된 준열화 조건 하에서 더러운 종이 코딩(DPC)과 동일한 성능을 달성하며, 용량 영역을 실현한다.
• 동일한 IUS 위상 이득 행렬과 개선된 준열화 조건이 적용될 경우, 더 뛰어난 스펙트럼 효율성과 전력 효율성 덕분에 NOMA는 항상 ZFBF를 능가한다.
• 사용자 채널이 직교적일 경우에만 ZFBF가 NOMA를 능가하며, 이는 IUS 반사 행렬이 0일 때 발생하는 희귀하지만 식별 가능한 조건이다.
• 시뮬레이션 결과는 IUS를 활용한 MISO-NOMA 시스템이 IUS 없이 구현된 기존의 MISO-NOMA 시스템보다 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보임을 확인한다.
• 제안된 하이브리드 NOMA 전송 방식은 항상 오르토곤럴 다중접근(OMA)보다 뛰어난 성능을 달성하며, 향후 B5G 네트워크에서 지능형 반사 표면 통합의 우수성을 입증한다.
• 이론적 분석을 통해 개선된 준열화 조건 하에서 NOMA의 최소 전송 전력은 항상 ZFBF의 최소 전송 전력보다 작거나 같으며, 채널이 직교적일 경우에만 동일하다.