[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Assisted Non-Orthogonal Multiple Access

Gang Yang, Xinyue Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 39인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 기지국(BS)의 전송 비례형성과 IRS 위상 이동을 공동 최적화함으로써 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시키기 위해 지능형 반사 표면(IRS)을 활용한 비직교 다중접근(NOMA) 시스템을 제안한다. 기존 NOMA 및 OMA보다 뚜렷한 전송률 향상을 달성하며, 유한한 IRS 위상 해상도 조건에서도 안정된 성능을 보이며, 최소 사용자 전송률 최적화를 통해 공정성을 보장한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a new and disruptive technology to achieve spectrum- and energy-efficient as well as cost-efficient wireless networks. This paper considers an IRS-assisted downlink non-orthogonal-multiple-access (NOMA) system. To optimize the rate performance and ensure user fairness, we maximize the minimum decoding signal-to-interference-plus-noise-ratio (i.e., equivalently the rate) of all users, by jointly optimizing the (active) transmit beamforming at the base station (BS) and the phase shifts (i.e., passive beamforming) at the IRS. A combined-channel-strength based user ordering scheme is first proposed to decouple the user-ordering design and the joint beamforming design. Efficient algorithms are further proposed to solve the formulated non-convex problem for the cases of a single-antenna BS and a multi-antenna BS, respectively, by leveraging the block coordinated decent and semidefinite relaxation (SDR) techniques. For the single-antenna BS case, the optimal solution for the power allocation at the BS and the asymptotically optimal solution for the phase shifts at the IRS are obtained in closed forms. For the multi-antenna BS case, it is shown that the rank of the SDR solution to the transmit beamforming design is upper bounded by two. Also, the convergence proof and the complexity analysis are given for the proposed algorithms. Simulation results show that the IRS-assisted downlink NOMA system can enhance the rate performance significantly, compared to traditional NOMA without IRS and traditional orthogonal multiple access with/without IRS. In addition, numerical results demonstrate that the rate degradation due to the IRS's finite phase resolution is slight, and good rate fairness among users can be always guaranteed.

연구 동기 및 목표

• 유사한 사용자 채널 이득 또는 직교 채널 조건에서 기존 NOMA의 성능 한계를 해결하기 위해.
• 재구성 가능한 지능형 표면으로서의 IRS를 활용하여 NOMA 성능 향상을 위한 인위적 채널 강도 차이를 창출하기 위해.
• 다운링크 NOMA에서 최소 사용자 전송률 최대화를 위한 기지국(BS) 전송 비례형성과 IRS 위상 이동을 공동 최적화하기 위해.
• 유한한 해상도를 가진 IRS 위상 이동에 대해 저항력 있는 성능을 확보하면서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지하기 위해.
• 실제 제약 조건 하에서 비볼록 공동 최적화 문제를 해결하기 위한 효율적인 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• 사용자 순서화를 비례형성 최적화에서 분리하기 위해 복합 채널 강도 기반 사용자 순서 정책을 제안한다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 블록 좌표 강하와 준정방형 완화(SDR)를 사용하여 단일 및 다중 안테나 기지국 케이스를 모두 다룬다.
• 단일 안테나 기지국 케이스에서 전력 할당 및 渐近적으로 최적의 위상 이동에 대한 폐쇄형 해를 유도한다.
• 다중 안테나 비례형성의 SDR 해의 질량이 2 이하로 상한선이 있음을 증명하여 효율적인 계산이 가능함을 보여준다.
• 라그랑주 이중성과 카룩-쿤-터커(KKT) 조건을 활용하여 최적성과 수렴성 분석을 수행한다.
• 비례형성과 위상 이동 간의 결합 제약 조건을 다루기 위해 이중 분해 프레임워크를 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 NOMA가 동일하거나 직교적인 사용자 채널 조건에서 실패하는 상황에서, IRS를 활용하여 NOMA 성능 향상을 위한 유리한 채널 조건을 창출할 수 있는가?
• RQ2 기지국 비례형성과 IRS 위상 이동을 공동 최적화함으로써 IRS를 활용한 NOMA에서 최소 사용자 전송률을 최대화할 수 있는가?
• RQ3 유한한 위상 해상도가 IRS 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 공정성은 유지될 수 있는가?
• RQ4 수렴 보장을 갖는 비볼록 공동 최적화 문제를 해결하기 위한 효율적인 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ5 다중 안테나 기지국의 최적 비례형성 해에서 어떤 구조적 특성(예: 질량 제약)이 나타나는가?

주요 결과

• 모든 시험 환경에서 IRS를 활용하지 않은 기존 NOMA 및 IRS 유무에 관계없이 OMA보다 뚜렷한 전송률 향상을 달성한다.
• 제안된 알고리즘은 신뢰성 있게 수렴하며, 단일 및 다중 안테나 기지국 케이스 모두에 대해 수렴성 증명과 복잡도 분석을 제공한다.
• 최소 전송률 최적화로 인해 높은 사용자 공정성이 확보되었으며, 수치 결과를 통해 사용자 간 일관된 공정성이 확인되었다.
• 유한한 위상 해상도로 인한 전송률 저하가 미미하여 실용적인 IRS 하드웨어 제약 조건에 대해 뛰어난 저항성을 보였다.
• 다중 안테나 기지국 케이스에서 SDR 해의 비례형성 해의 질량이 2 이하로 상한선이 있음을 확인하여 효율적인 계산이 가능했다.
• 단일 안테나 기지국 케이스에서 전력 할당 및 渐近적으로 최적의 위상 이동에 대한 폐쇄형 해를 도출하여 저복잡도 구현이 가능했다.