[论文解读] Performance Analysis of Intelligent Reflecting Surface Assisted NOMA Networks

Xinwei Yue, Yuanwei Liu|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 45被引用 26

一句话总结

本文提出了一种基于1-bit编码方案的智能反射表面（IRS）辅助非正交多址（NOMA）网络的性能分析。推导了在完美与非完美连续干扰 cancellation（pSIC/ipSIC）下的中断概率和遍历速率的精确与渐近表达式，表明IRS-NOMA在频谱效率和能量效率方面优于IRS-OMA与中继方案，其分集增益取决于反射单元数量与信道排序。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a promising technology to enhance the coverage and performance of wireless networks. We consider the application of IRS to non-orthogonal multiple access (NOMA), where a base station transmits superposed signals to multiple users by the virtue of an IRS. The performance of an IRS-assisted NOMA networks with imperfect successive interference cancellation (ipSIC) and perfect successive interference cancellation (pSIC) is investigated by invoking 1-bit coding scheme. In particular, we derive new exact and asymptotic expressions for both outage probability and ergodic rate of the m-th user with ipSIC/pSIC. Based on analytical results, the diversity order of the m-th user with pSIC is in connection with the number of reflecting elements and channel ordering. The high signal-to-noise radio (SNR) slope of ergodic rate for the $m$-th user is obtained. The throughput and energy efficiency of non-orthogonal users for IRS-NOMA are discussed both in delay-limited and delay-tolerant transmission modes. Additionally, we derive new exact expressions of outage probability and ergodic rate for IRS-assisted orthogonal multiple access (IRS-OMA). Numerical results are presented to substantiate our analyses and demonstrate that: i) The outage behaviors of IRS-NOMA are superior to that of IRS-OMA and relaying schemes; ii) With increasing the number of reflecting elements, IRS-NOMA is capable of achieving enhanced outage performance; and iii) The M-th user has a larger ergodic rate compared to IRS-OMA and benchmarks. However, the ergodic performance of the $m$-th user exceeds relaying schemes in the low SNR regime.

研究动机与目标

• 分析在非完美与完美连续干扰 cancellation（ipSIC/pSIC）下的IRS辅助NOMA网络性能。
• 推导IRS-NOMA中第m个用户的中断概率与遍历速率的精确与渐近表达式。
• 评估IRS在延迟受限与延迟容忍传输模式下的频谱效率与能量效率影响。
• 从吞吐量与能量效率角度，对比IRS-NOMA与IRS-OMA及协作中继方案的性能。
• 建立IRS-NOMA中第m个用户的遍历速率的分集增益与高信噪比（SNR）斜率。

提出的方法

• 采用1-bit编码方案对IRS相位偏移进行建模，推导第m个用户的中断概率与遍历速率的新精确与渐近表达式。
• 利用顺序统计与广义伽马分布对IRS-NOMA中第m个用户的信道增益进行建模。
• 利用高斯-切比雪夫求积法数值计算涉及第二类修正贝塞尔函数的遍历速率积分。
• 将IRS反射系数建模为1-bit相位偏移，实现无需主动传输的低复杂度信号反射。
• 推导在pSIC与ipSIC下端到端信干噪比（SINR）累积分布函数（CDF）的闭式表达式。
• 分析遍历速率的高SNR斜率与分集增益，表明其依赖于反射单元数量与信道排序。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非完美SIC条件下，IRS-NOMA与IRS-OMA及协作中继方案的中断性能如何比较？
• RQ2 在完美SIC下，IRS-NOMA中第m个用户的分集增益是多少？其如何依赖于反射单元数量与用户信道排序？
• RQ3 IRS-NOMA中第m个用户的遍历速率的高SNR斜率是多少？与基准方案相比有何差异？
• RQ4 在延迟受限与延迟容忍模式下，IRS-NOMA的能量效率与传统协作通信相比如何？
• RQ5 IRS-OMA中的中断概率与遍历速率的精确表达式是什么？其与IRS-NOMA中的表达式有何不同？

主要发现

• IRS-NOMA在中断性能方面优于IRS-OMA与中继方案，尤其在高SNR区域表现更优。
• IRS-NOMA中的第M个用户遍历速率高于IRS-OMA与基准方案，在低SNR区域甚至优于中继方案。
• 在pSIC下，第m个用户的分集增益与反射单元数量及用户信道排序直接相关。
• 推导了第m个用户遍历速率的高SNR斜率，表明在高SNR下具有有利的频谱效率扩展特性。
• IRS-NOMA在高数据率传输场景下，相比传统协作通信展现出更高的能量效率。
• 推导出IRS-OMA中中断概率与遍历速率的精确表达式，实现了与IRS-NOMA性能的直接比较。