[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Aided Multiple Access Over Fading Channels

Yiyu Guo, Zhijin Qin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 51被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在衰落信道下采用非正交多址接入（NOMA）与正交多址接入（OMA）方案的智能反射面（IRS）辅助下行链路网络，旨在最大化系统平均和速率。该研究引入了动态与一次性相位调整策略，并采用低复杂度算法，利用拉格朗日对偶分解与连续凸逼近（SCA）技术，优化在离散相位与速率约束下的相位偏移与功率分配，相较于传统系统实现了显著的性能增益。

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.

研究动机与目标

• 通过智能反射面（IRS）提升5G+网络的频谱与能量效率。
• 在衰落信道下的双用户下行链路IRS辅助网络中，最大化系统平均和速率。
• 在实际约束条件下（离散相位偏移、功率预算、最小用户速率），对比IRS辅助系统中NOMA与OMA（TDMA/FDMA）的性能。
• 设计低复杂度的相位偏移与功率分配算法，实现接近最优的性能。

提出的方法

• 提出两种IRS相位调整方案：动态（每 fading 块）与一次性（在块开始时），以平衡性能与复杂度。
• 采用连续凸逼近（SCA）求解连续相位偏移下的非凸优化问题。
• 应用SROCR方法处理波束成形设计中的秩一约束。
• 采用拉格朗日对偶分解结合时分复用条件，求解每个衰落状态下的功率分配。
• 应用量化技术将连续相位偏移转换为离散单位模值，以实现实际部署。
• 通过在功率、速率与相位约束下迭代优化，推导出近似最优解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在衰落信道下，IRS辅助NOMA与传统NOMA在平均和速率方面有何差异？
• RQ2 在IRS辅助OMA系统中，动态相位调整相较于一次性相位调整的性能增益如何？
• RQ3 与连续相位偏移相比，离散相位偏移与量化对系统性能有何影响？
• RQ4 最小用户速率要求对IRS-NOMA与IRS-OMA系统的影响分别是什么？
• RQ5 IRS元件数量与IRS位置如何影响平均和速率？

主要发现

• 所提出的IRS-NOMA系统在衰落信道下的平均和速率高于传统NOMA，仿真中观察到10 dB的功率增益。
• 动态相位调整使TDMA在IRS辅助系统中优于FDMA，因其在衰落块中能更有效地利用信道。
• 随着最小平均用户速率要求的提高，IRS-NOMA的性能退化程度小于IRS-OMA系统。
• 系统性能随IRS元件数量增加而提升，且反射元件数量越多，平均和速率显著提高。
• 一次性相位调整方案与暴力搜索相比实现了接近最优的性能，且复杂度更低。
• IRS部署在基站与用户中间位置会因信道增益均衡而降低性能，而将IRS靠近用户部署可显著提升和速率。