[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Enhanced Millimeter-Wave NOMA Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文提出了一种智能反射面（IRS）增强的毫米波非正交多址（NOMA）系统中联合主动波束赋形、被动波束赋形与功率分配的优化方法。通过交替优化（AO）与连续凸逼近（SCA）算法，该方案在视 Line-of-Sight（LoS）链路被阻塞的场景下实现了显著的容量增益，表明使用5位离散相移可近乎逼近连续相移的性能表现。

ABSTRACT

In this paper, a downlink intelligent reflecting surface (IRS) enhanced millimeter-wave (mmWave) non-orthogonal multiple access (NOMA) system is considered. A joint optimization problem over active beamforming, passive beamforming and power allocation is formulated. Due to the highly coupled variables, the formulated optimization problem is non-convex. To solve this problem, an alternative optimization and successive convex approximation based iterative algorithm is proposed. Numerical results illustrate that: 1) the proposed scheme offers significant sum-rate gains, which confirms the effectiveness of introducing IRS for mmWave-NOMA systems; 2) the proposed algorithm with discrete phase shifts can achieve close performance to that of continuous phase shifts.

研究动机与目标

• 解决因基站（BS）与用户间直接链路被阻塞而导致的毫米波-NOMA系统覆盖性能差的问题。
• 引入智能反射面（IRS）以构建反射链路，提升频谱效率与系统覆盖范围。
• 建立一个涉及主动波束赋形、被动波束赋形与功率分配的非凸联合优化问题，以最大化系统容量。
• 设计一种基于交替优化（AO）与连续凸逼近（SCA）的迭代算法，求解耦合的非凸问题。
• 评估IRS在毫米波-NOMA系统中的性能增益，以及相位移分辨率与系统容量之间实际的权衡关系。

提出的方法

• 构建下行链路IRS辅助的毫米波-NOMA系统，不依赖BS与用户间的直接链路，完全依赖IRS反射信号。
• 采用Rician衰落信道模型，包含路径损耗与阴影衰落，假设BS-IRS与IRS-用户链路各存在3条传播路径。
• 利用连续凸逼近（SCA）算法，将非凸的容量最大化问题逐步近似为一系列凸子问题。
• 采用交替优化方法，将联合问题分解为三个子问题：主动波束赋形、被动波束赋形（相位偏移）与功率分配。
• 通过有限B位分辨率的离散相移值集合实现相位移（例如：0, 2π/2^B, ..., 2π(2^B−1)/2^B），以反映实际硬件限制。
• 迭代求解每个子问题，直至收敛，收敛性通过目标函数值的跟踪进行监控。

实验结果

研究问题

• RQ1 当直接链路被阻塞时，IRS部署是否能显著提升毫米波-NOMA系统的容量？
• RQ2 所提出的联合主动/被动波束赋形与功率分配算法在求解非凸优化问题方面是否高效？
• RQ3 在IRS辅助的毫米波-NOMA系统中，离散相移与连续相移之间的性能差距如何？
• RQ4 IRS反射单元数量如何影响系统容量与收敛速度？
• RQ5 与基于ZF的波束赋形及IRS-OMA等基准方案相比，所提出的IRS-NOMA方案在频谱效率方面表现如何？

主要发现

• 所提算法收敛迅速，通常在10至15次迭代内完成，与IRS单元数量或发射功率无关。
• 随着IRS反射单元数量的增加，系统容量持续提升，证实更多被动反射单元可增强信号反射能力与系统容量。
• 与基于ZF的算法相比，本方案性能更优，原因在于其主动波束赋形设计更优，而ZF方法中的主动波束赋形为次优。
• IRS-NOMA系统的容量高于IRS-OMA，验证了NOMA技术通过同时多用户传输实现的频谱效率增益。
• 当相位移分辨率达到5位时，离散相移方案的容量几乎与连续相移的上界持平，表明其在实际系统中的可行性。
• 随着相位移分辨率的提高，离散与连续相移之间的性能差距减小，验证了更高分辨率相移在提升波束赋形增益方面的有效性。