[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Aided Multiple Access Over Fading Channels

Yiyu Guo, Zhijin Qin외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 51인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 페이딩 채널 상에서 비직교 다중접속(NOMA) 및 직교 다중접속(OMA) 방식을 사용하는 지능형 반사면(IRS) 지원 다운링크 네트워크를 제안하여 시스템 평균 합산 속도를 최대화한다. 저자는 저복잡도 알고리즘을 활용하여 라그랑주 이중 분해와 순차적 볼록 근사화(Sequential Convex Approximation, SCA)를 적용하여 이산적 위상 및 속도 제약 조건 하에서 위상 보정과 전력 배분을 최적화하는 동적 및 일회성 위상 조정 전략을 도입하여 기존 시스템에 비해 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This paper considers a two-user downlink transmission in intelligent reflecting surface (IRS) aided network over fading channels. Particularly, non-orthogonal multiple access (NOMA) and two orthogonal multiple access (OMA) schemes, namely, time division multiple access (TDMA) and frequency division multiple access (FDMA), are studied. The objective is to maximize the system average sum rate for the delay-tolerant transmission. We propose two adjustment schemes, namely, dynamic phase adjustment and one-time phase adjustment. The power budget, minimum average data rate, and discrete unit modulus reflection coefficient are considered as constrains. To solve the problem, two phase shifters adjustment algorithms with low complexity are proposed to obtain near optimal solutions. With given phase shifters and satisfaction of time-sharing condition, the optimal resource allocations are obtained using the Lagrangian dual decomposition. The numerical results reveal that: i) the average sum rate of proposed NOMA network aided by IRS outperforms the conventional NOMA network over fading channels; ii) with continuous IRS adjustment in the fading block, the proposed TDMA scheme performs better than the FDMA scheme; iii) increasing the minimum average user rate requirement has less impact on the proposed IRS-NOMA system than on the IRS-OMA system.

연구 동기 및 목표

• 지능형 반사면(IRS)을 사용하여 5G+ 네트워크의 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 페이딩 채널 상에서 이중 사용자 다운링크 IRS 보조 네트워크의 시스템 평균 합산 속도를 최대화하기 위해.
• 이산적 위상 이동, 전력 예산, 최소 사용자 속도 제약 조건 하에서 IRS 보조 시스템에서 NOMA와 OMA(TDMA/FDMA)의 성능을 비교하기 위해.
• 근사 최적 성능를 달성하면서도 저복잡도 알고리즘을 개발하여 위상 보정과 전력 배분을 최적화하기 위해.

제안 방법

• 성능과 복잡도의 균형을 위해 페이딩 블록 당(동적) 및 블록 시작 시(일회성) 위상 조정을 위한 두 가지 IRS 위상 조정 전략을 제안한다.
• 연속적 위상 이동을 위한 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 근사화(Sequential Convex Approximation, SCA)를 사용한다.
• beamforming 설계에서 랭크-1 제약 조건을 처리하기 위해 SROCR 방법을 적용한다.
• 각 페이딩 상태에 대한 전력 할당 문제를 해결하기 위해 시간 공유 조건을 적용한 라그랑주 이중 분해를 사용한다.
• 실제 구현을 위해 연속적 위상 이동을 이산적 단위 모듈러스 값으로 변환하기 위해 양자화를 적용한다.
• 전력, 속도, 위상 제약 조건 하에서 반복 최적화를 통해 근사 최적 해를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 NOMA는 페이딩 채널 상에서 기존 NOMA에 비해 평균 합산 속도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 IRS 보조 OMA 시스템에서 동적 위상 조정과 일회성 위상 조정 간의 성능 향상은 어떠한가?
• RQ3 이산적 위상 이동과 양자화는 연속적 위상 이동에 비해 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 최소 사용자 속도 요구 사항이 IRS-NOMA와 IRS-OMA 시스템에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 IRS 요소의 수와 IRS 위치는 평균 합산 속도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 IRS-NOMA 시스템은 페이딩 채널 상에서 기존 NOMA보다 높은 평균 합산 속도를 달성하며, 시뮬레이션에서 10 dB의 전력 이득을 관찰하였다.
• 동적 위상 조정은 페이딩 블록 내 채널을 보다 효과적으로 활용할 수 있어, IRS 보조 시스템에서 TDMA가 FDMA를 능가한다.
• 최소 평균 사용자 속도 요구 사항을 증가시킬 경우, IRS-NOMA는 IRS-OMA보다 성능 저하가 더 적다.
• 더 많은 IRS 요소를 사용할수록 시스템 성능이 향상되며, 반사 요소의 수가 많아질수록 평균 합산 속도가 뚜렷이 증가한다.
• 일회성 위상 조정 전략은 브루트 포스 검색에 비해 거의 최적 성능를 달성하면서도 더 낮은 복잡도를 구현한다.
• 기지국과 사용자 사이의 중앙에 IRS를 설치할 경우 균형 잡힌 채널 이득으로 인해 성능이 저하되며, 사용자 근처에 최적의 위치에 설치할 경우 합산 속도가 향상된다.