[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided mmWave NOMA: Joint Power Allocation,Phase Shifts, and Hybrid Beamforming Optimization

Yue Xiu, Jun Zhao외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 11.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 42인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS)를 활용한 밀리미터파(mmWave) 비직교 다중접근(NOMA) 시스템을 위한 공동 최적화 프레임워크를 제안한다. 서비스 품질(QoS) 및 전력 제약 조건 하에서 총 데이터율을 극대화하기 위해 전력 할당, RIS 위상 이득, 하이브리드 비컨포밍을 공동으로 최적화한다. 제안된 교대 최적화 알고리즘은 최신 기술 대비 뛰어난 총 데이터율 성능를 달성하며, RIS가 mmWave-NOMA 시스템의 성능 향상에 효과적임을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, an reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided millimeter wave (mmWave) non-orthogonal multiple access (NOMA) system is considered. In particular, we consider an RIS-aided mmWave-NOMA downlink system with a hybrid beamforming structure. To maximize the achievable sum-rate under a minimum rate constraint for the users and a minimum transmit power constraint, a joint RIS phase shifts, hybrid beamforming, and power allocation problem is formulated. To solve this non-convex optimization problem, we develop an alternating optimization algorithm. Specifically, first, the non-convex problem is transformed into three subproblems, i.e., power allocation, joint phase shifts and analog beamforming optimization, and digital beamforming design. Then, we solve the power allocation problem under fixed phase shifts of the RIS and hybrid beamforming. Finally, given the power allocation matrix, an alternating manifold optimization (AMO)-based method and a successive convex approximation (SCA)-based method are utilized to design the phase shifts, analog beamforming, and transmit beamforming, respectively. Numerical results reveal that the proposed alternating optimization algorithm outperforms state-of-the-art schemes in terms of sum-rate. Moreover, compared to a conventional mmWave-NOMA system without RIS, the proposed RIS-aided mmWave-NOMA system is capable of improving the achievable sum-rate of the system.

연구 동기 및 목표

• RIS를 통합하여 mmWave-NOMA 시스템의 제한된 사용자 수용 능력과 높은 경로 손실 문제를 해결함으로써 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 향상시킨다.
• mmWave-NOMA에서 심각한 경로 손실, 차단, 강한 간섭 문제를 RIS에 의한 신호 강화 및 유연한 사용자 스케줄링을 통해 극복한다.
• 최소 데이터율 및 전송 전력 제약 조건 하에서 시스템 총 데이터율을 극대화하기 위해 RIS 위상 이득, 하이브리드 비컨포밍, 전력 할당을 공동 최적화하는 문제를 수립한다.
• 비볼록 문제를 다룰 수 있는 해석 가능한 부분문제로 분해하여 반복적으로 해를 구하는 교대 최적화 알고리즘을 개발한다.
• 총 데이터율 및 스펙트럼 효율성 측면에서 기존의 전통적 mmWave-NOMA 및 RIS를 활용한 기존 기술 대비 RIS-보조 mmWave-NOMA의 성능 향상을 입증한다.

제안 방법

• QoS 및 전력 제약 조건 하에서 총 데이터율을 극대화하기 위해 RIS 위상 이득, 하이브리드 비컨포밍(아날로그 및 디지털), 전력 할당을 공동 최적화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 공동 문제를 세 부분문제로 분해한다: 고정된 RIS 및 비컨포밍 조건 하에서의 전력 할당, RIS 위상 이득과 아날로그 비컨포밍의 공동 최적화, 디지털 비컨포밍 설계.
• 디지털 비컨포밍 설계를 위한 비볼록 문제를 반복적으로 근사하기 위해 순차적 볼록 근사(Sequential Convex Approximation, SCA)를 적용하여 국소 최적해 수렴 보장.
• 위상 이득 제약 조건의 다양체 위에서 리만 최적화를 활용하여 RIS 위상 이득과 아날로그 비컨포밍을 공동 최적화하는 교대 다양체 최적화(Alternating Manifold Optimization, AMO)를 적용.
• 전력 할당, RIS 위상 이득, 비컨포밍 행렬을 반복적으로 갱신하는 교대 최적화 알고리즘을 제안하며, KKT 점으로 수렴함을 보장한다.
• 질서가 1인 제약 조건을 볼록 형태로 변환하기 위해 정규화된 준정형 프로그래밍 및 행렬 라이프팅 기법을 활용하여 비볼록 문제의 효율적 최적화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS를 활용한 mmWave-NOMA는 RIS 없이 구현된 기존 mmWave-NOMA보다 더 높은 총 데이터율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 전력 할당, RIS 위상 이득, 하이브리드 비컨포밍을 공동 최적화함으로써 mmWave-NOMA의 스펙트럼 효율성이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 제안된 교대 최적화 알고리즘이 최신 기술 대비 총 데이터율 및 수렴 속도 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ4 RIS는 효과적인 채널을 얼마나 재구성하여 사용자 간 공정성 향상과 더 많은 사용자 수용을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 제안된 알고리즘이 KKT 해로 수렴하는가? 이는 수학적으로 어떻게 증명되는가?

주요 결과

• 제안된 교대 최적화 알고리즘은 기존 최신 기술 대비 더 높은 총 데이터율을 달성하며, RIS-보조 mmWave-NOMA 시스템에서 뛰어난 스펙트럼 효율성을 입증한다.
• 수치 결과는 RIS-보조 mmWave-NOMA 시스템이 RIS 없이 구현된 기존 mmWave-NOMA보다 뚜렷이 뛰어나며, 특히 고경로 손실 및 차단이 빈번한 환경에서 두드러진 성능 향상을 보인다.
• RIS 위상 이득과 비컨포밍의 공동 최적화를 통해 효과적인 채널 재구성으로 사용자 스케줄링의灵活性가 향상되어 사용자 간 공정성과 시스템 용량이 향상된다.
• 최적화 단계에서 타일러 전개와 도함수 일치 기법을 활용하여 알고리즘이 KKT 점으로 수렴함을 증명함으로써 이론적 수렴 보장을 확보한다.
• SCA 및 AMO의 활용은 비볼록 부분문제의 효율적이고 안정적인 최적화를 가능하게 하며, SCA 기반 방법은 디지털 비컨포밍에 대해 거의 최적 성능에 도달한다.
• 행렬 라이프팅 및 준정형 프로그래밍을 통한 질서 1 제약 조건의 변환은 볼록 근사를 가능하게 하여 이전에는 해결이 어려웠던 비볼록 문제의 해석 가능한 해를 도출할 수 있도록 한다.