[논문 리뷰] Resource Allocation for Multi-Cell IRS-Aided NOMA Networks

Wanli Ni, Xiao Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 37인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 다셀 IRS-보조 NOMA 네트워크에서 사용자 연동, 서브채널 할당, 전력 할당, 위상 이동, 복원 순서를 동시에 최적화하는 공동 자원 할당 프레임워크를 제안한다. 반복 알고리즘과 스왑 매칭을 통해 실현 가능하며, 결과적으로 전통적인 NOMA 대비 35% 높은 총 수신률과 22% 높은 에너지 효율성을 달성한다. IRS의 위치 조절을 통해 스펙트럼 효율성과 커버리지 사이의 조절 가능한 트레이드오프를 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper proposes a novel framework of resource allocation in multi-cell intelligent reflecting surface (IRS) aided non-orthogonal multiple access (NOMA) networks, where an IRS is deployed to enhance the wireless service. The problem of joint user association, subchannel assignment, power allocation, phase shifts design, and decoding order determination is formulated for maximizing the achievable sum rate. The challenging mixed-integer non-linear problem is decomposed into an optimization subproblem (P1) with continuous variables and a matching subproblem (P2) with integer variables. In an effort to tackle the non-convex optimization problem (P1), iterative algorithms are proposed for allocating transmission power, designing reflection matrix, and determining decoding order by invoking relaxation methods such as convex upper bound substitution, successive convex approximation, and semidefinite relaxation. In terms of the combinational problem (P2), swap matching-based algorithms are developed for achieving a two-sided exchange-stable state among users, BSs and subchannels. Numerical results demonstrate that: 1) the sum rate of multi-cell NOMA networks is capable of being increased by 35% with the aid of the IRS; 2) the proposed algorithms for multi-cell IRS-aided NOMA networks can enjoy 22% higher energy efficiency than conventional NOMA counterparts; 3) the trade-off between spectrum efficiency and coverage area can be tuned by judiciously selecting the location of the IRS.

연구 동기 및 목표

• 다셀 NOMA 네트워크에서의 이웃셀 간 간섭과 열악한 커버리지 문제를 해결하기 위해 지능형 반사 표면(IRS)을 통합한다.
• 총 수신률 최대화를 위해 사용자 연동, 서브채널 할당, 전력 할당, 위상 이동, 복원 순서를 공동으로 최적화한다.
• 공동 최적화에서 발생하는 혼합정수비선형계획문제(MINLP)를 다룰 수 있는 효율적인 알고리즘을 개발한다.
• 전략적 IRS 위치 설정을 통해 스펙트럼 효율성과 커버리지 사이의 트레이드오프를 가능하게 한다.
• 밀도가 높고 간섭에 제한을 받는 다셀 환경에서 에너지 효율성과 시스템 스루풋을 향상시킨다.

제안 방법

• 복잡한 MINLP 문제를 두 개의 하위문제로 분해한다: 연속변수 최적화(P1)와 정수변수 매칭(P2) 문제.
• 비볼록 P1 하위문제를 반복적으로 해결하기 위해 볼록화 기법—순차적 볼록 근사, 정수형태로의 볼록화, 볼록 상한 대체 기법—을 적용한다.
• 수렴 보장이 있는 반복 알고리즘을 설계하여 전력 할당, IRS 위상 이동, 복원 순서를 공동으로 최적화한다.
• 스왑 매칭 기반 알고리즘을 개발하여 사용자, 기지국, 서브채널 간 이중 측면의 교환 안정 매칭을 달성한다.
• 세 차원 매칭 프레임워크를 활용해 사용자, 기지국, 서브채널의 공동 연동을 모델링하여 안정성과 공정성을 보장한다.
• 수렴 분석을 수행하여 알고리즘의 목적 함수 값이 비감소적이며 유계임을 증명함으로써 수렴성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다셀 IRS-보조 NOMA 네트워크에서 공동 자원 할당을 어떻게 수식화할 수 있으며, 이웃셀 간 간섭을 관리하면서 총 수신률을 최대화할 수 있는가?
• RQ2 IRS 도입이 다셀 NOMA 환경에서 시스템의 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 IRS가 있는 NOMA 시스템에서 복원 순서와 전력 할당을 어떻게 공동으로 최적화하여 공정성과 스루풋을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 스펙트럼 효율성 향상과 커버리지 연장 사이의 균형을 이루기 위해 최적의 IRS 위치는 어디인가?
• RQ5 다셀 IRS-NOMA 환경에서 사용자, 기지국, 서브채널 간 안정적이고 효율적인 매칭을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 IRS-보조 NOMA 프레임워크는 IRS가 없는 전통적인 NOMA 대비 최대 35% 높은 실현 가능한 총 수신률을 제공한다.
• 제안된 IRS-보조 NOMA 네트워크에서는 에너지 효율성이 전통적인 NOMA 대비 22% 향상되었으며, 반사 요소 수 M=140일 경우 13.8%의 추가 이득을 기록한다.
• IRS 도입은 특히 최적의 고도와 위치에 배치되었을 때 이웃셀 간 간섭을 크게 감소시켜 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.
• IRS가 y=35, z=10 위치에 배치되었을 경우, 전통적인 NOMA 대비 에너지 효율성이 22.8% 향상되어 최적의 IRS 위치 배치의 유용성을 입증한다.
• 반사 요소 수(M)는 에너지 효율성에 직접적인 정적 영향을 미치며, 더 높은 M 값일수록 더 큰 이득을 얻는다.
• 총 수신률과 커버리지 영역 사이에 트레이드오프가 존재하며, IRS의 고도와 위치를 조절함으로써 이 트레이드오프를 조절할 수 있다. 이는 고도가 높아질수록 경로 손실이 증가하여 성능이 저하됨을 의미한다.