[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface Empowered Downlink Non-Orthogonal Multiple Access

Min Fu, Yong Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 60인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 사용자 간 채널 이득이 유사한 상황에서 발생하는 전통적 NOMA의 성능 저하 문제를 해결하기 위해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 다운링크 비정규 다중접근(NOMA) 시스템을 제안한다. 제안된 방법은 차등-복합(DC) 프로그래밍 기반의 교대 최적화 기법을 통해 비전이형 벡터와 RIS 위상 각도를 공동으로 최적화하여 총 전송 전력을 최소화하면서도 QoS 제약 조건을 충족시키며, 시뮬레이션을 통해 수렴성과 성능 향상을 입증한다.

ABSTRACT

Power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) has become a promising technology to exploit the new dimension of the power domain to enhance the spectral efficiency of wireless networks. However, most existing NOMA schemes rely on the strong assumption that users' channel gains are quite different, which may be invalid in practice. To unleash the potential of power-domain NOMA, we will propose a reconfigurable intelligent surface (RIS)-empowered NOMA network to introduce desirable channel gain differences among the users by adjusting the phase shifts at RIS. Our goal is to minimize the total transmit power by jointly optimizing the beamforming vectors at the base station and the phase-shift matrix at the RIS. To address the highly coupled optimization variables, we present an alternating optimization framework to decompose the non-convex bi-quadratically constrained quadratic problem into two rank-one constrained matrices optimization problems via matrix lifting. At the same time, to accurately detect the feasibility of the non-convex rank-one constraints and improve performance by avoiding early stopping in the alternating optimization procedure, we equivalently represent the rank-one constraint as the difference between nuclear norm and spectral norm. A difference-of-convex (DC) algorithm is further developed to solve the resulting DC programs via successive convex relaxation, followed by establishing the convergence of the proposed DC-based alternating optimization method. We further propose an efficient user ordering scheme with closed-form expressions, considering both the channel conditions and users' target data rates. Simulation results will validate the effectiveness of deploying an RIS and the superiority of the proposed DC-based alternating optimization method in reducing the total transmit power.

연구 동기 및 목표

• 차량 네트워크와 같은 실용적 시나리오에서 사용자 간 채널 이득이 유사할 경우 발생하는 전통적 NOMA의 성능 저하 문제를 해결한다.
• 제어 가능한 위상 각도를 통해 인위적인 채널 이득 차이를 생성함으로써 기존 NOMA의 한계를 극복하기 위해 RIS를 활용한다.
• 기지국의 비전이형 벡터와 RIS의 위상 조절 행렬을 공동으로 최적화하여 다운링크 MISO-NOMA 시스템에서 총 전송 전력을 최소화한다.
• 비볼록이고 결합된 최적화 문제로 인해 발생하는 비전이형 및 RIS 위상 각도 최적화를 고려하여 사용자가 목표 데이터 전송률 요구사항을 충족하도록 보장한다.
• 랭크-1 제약 조건을 정확히 처리하고 반복 최적화 과정에서 조기 정지 현상을 방지할 수 있는 수렴 보장이 되어 있는 효율적인 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 비볼록이고 이차형 제약 조건이 있는 비선형 결합 변수 최적화 문제로 전력 최소화 문제를 수식화한다. 이는 비전이형과 RIS 위상 각도 최적화를 포함한다.
• 문제를 랭크-1 제약 조건이 있는 행렬 최적화 문제로 변환하기 위해 행렬 릿지 기법을 적용한다.
• 랭크-1 제약 조건을 노름(norm)의 차이인 핵노름(nuclear norm)과 스펙트럼노름(spectral norm)의 차이로 재구성하여 정확한 탇합성 탐지가 가능하도록 한다.
• 결과로 발생하는 비볼록 하위문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 근사 기법을 사용하는 차등-복합(DC) 프로그래밍 기반 알고리즘을 개발한다.
• 반복적으로 비전이형과 위상 각도를 최적화하는 교대 최적화 프레임워크를 설계하였으며, 라플라스 스타일 분석을 통해 수렴성을 증명하였다.
• 채널 상태와 목표 데이터 전송률을 고려한 폐쇄형 해를 가지는 사용자 순서 정책을 제안하여 시스템 성능을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 이득이 유사한 NOMA 시스템에서 RIS를 효과적으로 활용하여 인위적인 채널 이득 차이를 생성할 수 있는가?
• RQ2 비볼록 제약 조건 하에서 비전이형과 RIS 위상 각도 최적화를 효율적으로 수식화하고 해결할 수 있는가?
• RQ3 제안된 DC 기반의 교대 최적화 방법은 수렴하는가? 또한, 랭크-1 제약 조건 처리의 비정확성으로 인한 조기 정지 현상을 피할 수 있는가?
• RQ4 기존 NOMA 및 RIS 지원 OMA 시스템과 비교해 볼 때, 전송 전력 절감 측면에서 어떤 성능 향상이 이루어지는가?
• RQ5 제안된 폐쇄형 해를 가지는 사용자 순서 정책은 히وري스틱 또는 완전 탐색 기반 순서 정책에 비해 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 DC 기반의 교대 최적화 방법은 정류점(stationary point)으로 수렴하며, 라플라스 분석과 하위기울기 성질을 기반으로 한 이론적 수렴성 증명이 이루어졌다.
• 핵노름과 스펙트럼노름의 차이로 재구성된 랭크-1 제약 조건을 정확히 탐지함으로써 조기 수렴을 방지하는 데 성공하였다.
• 시뮬레이션 결과, RIS-강화 NOMA 시스템은 기존 NOMA 및 RIS 지원 OMA 시스템에 비해 뚜렷한 전송 전력 절감 효과를 보였다.
• 채널 이득과 목표 전송률을 고려한 폐쇄형 해 기반 사용자 순서 정책은 더 나은 전력 할당과 간섭 관리가 가능하게 하여 시스템 성능을 향상시켰다.
• 비전이형과 위상 각도 최적화를 공동으로 수행함으로써 총 전송 전력이 크게 감소하였으며, 특히 초기에 사용자 채널 이득이 유사한 상황에서 뚜렷한 효과를 보였다.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서도 높은 성능 유지를 보이며, 실세계 적용에 대한 강인성과 확장성을 입증하였다.