[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Cooperative Non-orthogonal Multiple Access Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 18.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 27인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 활성 beamforming, 중계 전력, RIS 위상 이득을 공동 최적화하여 총 전송 전력을 최소화하는 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 지원 협업 비직교 다중접근(CNOMA) 시스템을 제안한다. 반복 페널티 함수와 순차적 정밀화 기반의 저복잡도 준최적 알고리즘이 낮은 계산 비용으로 최적에 가까운 성능를 달성하며, 기존의 CNOMA를 능가하고 있으며, 사용자 및 RIS 위치에 따라 성능이 달라진다.

ABSTRACT

This paper considers downlink of reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted cooperative non-orthogonal multiple access (CNOMA) systems. Our objective is to minimize the total transmit power by jointly optimizing the active beamforming vectors, transmit-relaying power, and RIS phase shifts. The formulated problem is a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problem. To tackle this problem, the alternating optimization approach is utilized to decouple the variables. In each alternative procedure, the optimal solutions for the active beamforming vectors, transmit-relaying power and phase shifts are obtained. However, the proposed algorithm has high complexity since the optimal phase shifts are solved by integer linear programming (ILP) whose computational complexity is exponential in the number of variables. To strike a good computational complexity-optimality trade-off, a low-complexity suboptimal algorithm is proposed by invoking the iterative penalty function based semidefinite programming (SDP) and the successive refinement approaches. Numerical results illustrate that: i) the proposed RIS-CNOMA system, aided by our proposed algorithms, outperforms the conventional CNOMA system. ii) the proposed low-complexity suboptimal algorithm can achieve the near-optimal performance. iii) whether the RIS-CNOMA system outperforms the RIS assisted non-orthogonal multiple access (RIS-NOMA) system depends not only on the users' locations but also on the RIS' location.

연구 동기 및 목표

• 다운링크 RIS-보조 CNOMA 시스템에서 활성 beamforming, 전송-중계 전력, RIS 위상 이득을 공동 최적화하여 총 전송 전력을 최소화하기 위해.
• 활성 beamforming, 전송-중계 전력, RIS 위상 이득을 공동 최적화함에 따라 발생하는 혼합정수비선형계획문제(MINLP)를 다루기 위해, 이는 이산 위상 이득 제약 조건으로 인해 계산이 어려운 문제이기 때문이다.
• 실제 구현에 적합한 성능와 계산 복잡도의 균형을 이루는 저복잡도 준최적 알고리즘을 개발하기 위해.
• 사용자 및 RIS 위치가 다양할 경우 RIS-CNOMA가 기존의 CNOMA 및 RIS-NOMA 시스템에 비해 성능 향상을 얼마나 달성하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 총 전송 전력을 최소화하기 위해 품질보증(QoS) 제약과 위상 이득 이산화 제약을 포함한 혼합정수비선형계획문제(MINLP)로 문제를 수립한다.
• 변수를 세 개의 하위문제로 분리하기 위해 교차 최적화 기법을 사용한다: beamforming, 중계 전력, 위상 이득.
• 최적의 위상 이득은 정수선형계획문제(ILP)를 통해 확보되나, 이는 높은 계산 복잡도를 유발한다.
• 복잡도를 감소시키기 위해 반복 페널티 함수 기반의 정수형프로그래밍(SDP)과 순차적 정밀화를 활용한 저복잡도 준최적 알고리즘을 제안한다.
• 알고리즘은 beamforming과 위상 이득을 번갈아 최적화하며, 위상 이득은 순차적으로 갱신되어 수렴성을 향상시킨다.
• 하나의 하위문제에서의 수렴성은 하향 기울기 및 순차적 정밀화 분석을 통해 이론적으로 증명된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 beamfoming, 중계 전력, RIS 위상 이득을 공동 최적화할 경우 다운링크 RIS-CNOMA 시스템에서 총 전송 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전송 전력과 사용자 공정성 측면에서 RIS-CNOMA는 기존의 CNOMA에 비해 얼마나 높은 성능 향상을 달성하는가?
• RQ3 RIS-CNOMA의 성능는 RIS-NOMA와 비교해 어떻게 되며, 어떤 조건에서 RISP-NOMA를 능가하는가?
• RQ4 저복잡도 준최적 알고리즘이 상당히 감소된 계산 비용으로 최적에 가까운 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ5 사용자 및 RIS 위치는 RIS-CNOMA와 RIS-NOMA 간 상대적 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 RIS-CNOMA 시스템은 신호 다양성과 커버리지 향상로 인해 기존의 CNOMA보다 총 전송 전력을 크게 감소시켜 우수한 성능를 보인다.
• 저복잡도 준최적 알고리즘은 최적의 ILP 기반 접근에 비해 계산 복잡도가 상당히 감소된 상태에서 최적에 가까운 성능를 달성한다.
• RIS-CNOMA의 RIS-NOMA 대비 성능 향상은 항상 유리한 것은 아니며, 사용자 및 RIS의 지리적 위치에 따라 달라진다.
• 수치적 결과는 제안된 알고리즘이 신뢰성 있게 수렴하며, 목적 함수 값이 반복 과정에서 단조롭게 감소함을 보여준다.
• 이론적 분석을 통해 SDP 기반 beamforming 최적화와 순차적 위상 이득 정밀화 과정의 수렴성이 확인된다.