[논문 리뷰] Resource Allocation in Intelligent Reflecting Surface Assisted NOMA Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 34인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 스마트 반사면(ISR)을 활용한 비직교 다중접근(NOMA) 시스템에서 시스템 총역량을 극대화하기 위해 채널 할당, 복원 순서, 전력 할당 및 반사 계수를 공동으로 최적화하는 3단계 자원 할당 알고리즘을 제안한다. 이 방법은 전통적인 NOMA 및 IRS-OMA 시스템에 비해 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 달성하며, 최적의 IRS 배치로 성능이 향상된다.

ABSTRACT

This paper investigates the downlink communications of intelligent reflecting surface (IRS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) systems. To maximize the system throughput, we formulate a joint optimization problem over the channel assignment, decoding order of NOMA users, power allocation, and reflection coefficients. The formulated problem is proved to be NP-hard. To tackle this problem, a three-step novel resource allocation algorithm is proposed. Firstly, the channel assignment problem is solved by a many-to-one matching algorithm. Secondly, by considering the IRS reflection coefficients design, a low-complexity decoding order optimization algorithm is proposed. Thirdly, given a channel assignment and decoding order, a joint optimization algorithm is proposed for solving the joint power allocation and reflection coefficient design problem. Numerical results illustrate that: i) with the aid of IRS, the proposed IRS-NOMA system outperforms the conventional NOMA system without the IRS in terms of system throughput; ii) the proposed IRS-NOMA system achieves higher system throughput than the IRS assisted orthogonal multiple access (IRS-OMA) systems; iii) simulation results show that the performance gains of the IRS-NOMA and the IRS-OMA systems can be enhanced via carefully choosing the location of the IRS.

연구 동기 및 목표

• 다양한 자원 할당 변수를 공동으로 최적화함으로써 IRS 보조 NOMA 다운링크 시스템에서 시스템 총역량을 극대화하는 데 도전하는 것.
• IRS-NOMA 시스템에서 채널 할당, 복원 순서, 전력 할당 및 반사 계수 설계의 병합 최적화 문제의 NP-완전 복잡도를 극복하는 것.
• 저복잡도의 근사 최적 해를 개발하여 기존의 NOMA 및 IRS-OMA 시스템에 비해 스펙트럼 효율성과 커버리지 측면에서 뛰어난 성능을 달성하는 것.
• IRS 위치가 시스템 성능에 미치는 영향을 조사하여 실용적 배치를 안내하는 것.

제안 방법

• 채널 할당, 복원 순서, 전력 할당 및 IRS 반사 계수에 대한 공동 최적화 문제를 수립하였으며, 이 문제가 NP-완전임을 증명하였다.
• 사용자 및 채널의 유틸리티를 기반으로 한 다대일 매칭 알고리즘을 통해 채널 할당을 해결하여 안정성과 수렴성을 확보하였다.
• 사용자 채널 이득과 IRS에 의해 유도된 위상 이동을 활용하여 전수 검색을 피하는 저복잡도의 복원 순서 최적화 알고리즘을 제안하였다.
• 전력 할당과 반사 계수 설계를 동시에 해결하기 위해 교차 최적화와 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 적용하였으며, 전력 및 위상 제약 조건을 충족하도록 하였다.
• 매칭 알고리즘에서 교환 연산 기반 정밀화를 도입하여 유틸리티를 향상시키고 수렴성을 보장하였다.
• 3단계 순차 최적화를 적용함: (1) 매칭 기반 채널 할당, (2) 복원 순서 선택, (3) 공동 전력 및 위상 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS-NOMA 시스템에서 채널 할당, 복원 순서, 전력 할당 및 IRS 반사 계수를 공동으로 최적화하면 시스템 총역량을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 스펙트럼 효율성 측면에서 IRS-NOMA는 기존의 NOMA 및 IRS-OMA 시스템에 비해 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 IRS-NOMA 구현에서 IRS의 위치는 시스템 총역량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전수 검색 방법에 비해 저복잡도 알고리즘이 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 IRS에 의해 유도된 채널 향상은 NOMA 시스템에서 사용자 공정성과 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 IRS-NOMA 시스템은 IRS 위치가 10 m일 때 기존의 NOMA(IRS 없음)에 비해 시스템 총역량에서 4.1 bit/s/Hz의 향상을 달성한다.
• IRS 위치가 45 m일 경우, IRS 사용자 링크가 더 강해져 시스템 총역량 향상이 6.1 bit/s/Hz로 증가한다.
• 제안된 3단계 알고리즘은 전수 검색에 비해 훨씬 낮은 복잡도로 근사 최적 성능을 달성하며, 특히 채널 할당에서 두드러진 효율성을 보인다.
• 복원 순서 최적화 알고리즘은 전수 검색과 유사한 성능를 달성하지만, 훨씬 낮은 계산 비용을 요구한다.
• IRS 보조 NOMA는 IRS-OMA 시스템보다 스펙트럼 효율성에서 뛰어나며, NOMA의 multiplexing 이득과 IRS의 채널 향상 간의 상호보완적 상호작용을 입증한다.
• 시스템 성능는 IRS 설치 위치에 매우 민감하며, 사용자 근처에 최적의 배치를 하면 복합 채널 이득과 총역량이 극대화된다.