[論文レビュー] A Simple Design of IRS-NOMA Transmission

Zhiguo Ding, H. Vincent Poor|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 7被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、インテリジェント反射表面（IRS）を用いた非直交多重アクセス（NOMA）方式を提案し、IRSの位相シフトによってユーザーのチャネルベクトルを整合させることで、1つの空間ビームあたり複数のユーザーをサービス可能にし、スペクトル効率を向上させる。主な貢献は、有限解像度の位相シフタによるハードウェア制限を受けても高いスペクトル効率と改善された接続性を実現する実用的な設計であり、解析的に導出された outage 確率がシミュレーションで検証されている。

ABSTRACT

This letter proposes a simple design of intelligent reflecting surface (IRS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) transmission, which can ensure that more users are served on each orthogonal spatial direction than spatial division multiple access (SDMA). In particular, by employing IRS, the directions of users' channel vectors can be effectively aligned, which facilitates the implementation of NOMA. Both analytical and simulation results are provided to demonstrate the performance of the proposed IRS-NOMA scheme and also study the impact of hardware impairments on IRS-NOMA.

研究の動機と目的

• 従来のSDMAでは1つの空間方向に1ユーザーしかサービスできないという制限を克服し、1ビームあたり複数ユーザーを可能にする。
• IRSを用いてユーザーのチャネルベクトルを動的に整合させることで、NOMA伝送を可能にし、固定された伝搬由来の直交性制約を克服できるかどうかを検討する。
• 特に有限解像度の位相シフタを含むハードウェア制限下での実用的IRS-NOMAシステムの性能を特徴づける。
• IRS-NOMAの解析的outage確率式を導出し、シミュレーションによる検証を行う。

提案手法

• N個の再構成可能な反射素子を備えたIRSを用い、信号の位相シフトを調整することで、複数ユーザーの有効チャネルベクトルを整合化する。
• 基地局ではゼロフォーカスビームフォーミングを用いてK人の近距離ユーザーをサービスし、各ビームに追加で1人のセルエッジユーザーをIRS支援NOMAによりサービスする。
• 各セルエッジユーザーの受信信号を、IRSの反射係数、チャネル行列、およびパワー割り当て係数の関数としてモデル化する。
• ユーザーのデコードにおけるSINR式を導出し、ユーザー間干渉とノイズを組み込み、統計的チャネル状態情報に基づいてoutage確率を定式化する。
• 確率的幾何学と特殊関数（例：変形ベッセル関数）を用いて、異なるIRSビームフォーミング戦略下でのoutage確率の閉形式式を導出する。
• 理想ビームフォーミングと実用的オンオフおよび離散フーリエ変換（DFT）ベースの位相シフト方式を比較し、ハードウェア制約下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSを用いて複数ユーザーの有効チャネルベクトルを統合させ、同じ空間ビーム上でNOMA伝送を可能にすることができるか？
• RQ2 IRSに有限解像度の位相シフタが使用される場合、NOMAシステムのoutage性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ハードウェア制限下におけるIRS-NOMAの分散利得と誤り床の挙動はいかなるものか？
• RQ4 オンオフとDFTベースのIRSビームフォーミング戦略（例：）は、システムのoutage確率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 解析的に導出したoutage確率式は、実用的IRS-NOMAシステムの性能を正確に予測できるか？

主な発見

• 提案されたIRS-NOMA方式は、1つの空間ビームあたり複数ユーザーをサービス可能にすることで、従来のSDMAよりも高いスペクトル効率を達成する。
• 理想ビームフォーミングにおけるoutage確率は、送信パワーを増加させることでゼロにまで低下し、完全な分散利得を示す。
• 有限解像度の位相シフタを備えた実用的IRS-NOMAでは、送信パワーを増加させても解消できない誤り床が観測される。
• Lemma 2における解析的近似から、反射素子数Nを増加させることで誤り床を軽減できることを示している。
• オンオフIRSビームフォーミング戦略は、単一および複数ユーザーの両状況において、DFTベースのアプローチを上回るoutage性能を示す。
• Lemma 1およびLemma 2で導出した解析的outage確率式は、シミュレーション結果と密接に一致しており、その正確性と妥当性が確認された。