[论文解读] Joint Beamforming Design in Multi-Cluster MISO NOMA Intelligent Reflecting Surface-Aided Downlink Communication Networks

Yiqing Li, Miao Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用 47

一句话总结

本论文提出基于 SOCP-ADMM 的多簇 MISO NOMA 系统在 IRS 辅助下的联合波束成形设计，并给出低复杂度的 ZF 备选方案，在满足速率约束的条件下最小化总发射功率。

ABSTRACT

Considering intelligent reflecting surface (IRS), we study a multi-cluster multiple-input-single-output (MISO) non-orthogonal multiple access (NOMA) downlink communication network. In the network, an IRS assists the communication from the base station (BS) to all users by passive beamforming. Our goal is to minimize the total transmit power by jointly optimizing the transmit beamforming vectors at the BS and the reflection coefficient vector at the IRS. Because of the restrictions on the IRS reflection amplitudes and phase shifts, the formulated quadratically constrained quadratic problem is highly non-convex. For the aforementioned problem, the conventional semidefinite programming (SDP) based algorithm has prohibitively high computational complexity and deteriorating performance. Here, we propose an effective second-order cone programming (SOCP)-alternating direction method of multipliers (ADMM) based algorithm to obtain the locally optimal solution. To reduce the computational complexity, we also propose a low-complexity zero-forcing (ZF) based suboptimal algorithm. It is shown through simulation results that our proposed SOCP-ADMM based algorithm achieves significant performance gain over the conventional SDP based algorithm. Furthermore, when the number of passive reflection elements is relatively high, our proposed ZF-based suboptimal algorithm also outperforms the SDP based algorithm.

研究动机与目标

• 在 IRS 辅助的多簇 MISO-NOMA 网络中推动下行传输的能量高效性。
• 将联合优化基站发射波束和 IRS 反射系数的非凸 QCQP 建模并求解，在速率约束下。
• 开发一个可扩展的优化框架，能够在可控的复杂度下得到局部最优解。
• 提供一个低复杂度的替代方案（基于 ZF），当 IRS 元件数量增加时表现良好。

提出的方法

• 将带有多簇 MISO-NOMA 设置和 IRS 反射的发射信号模型建模；在具备 SIC 的 NOMA 下，为小区边缘用户和核心用户定义 SINR。
• 利用辅助变量和 QoS 约束将非凸 QCQP 转换为适合 SOCP-ADMM 的形式。
• 应用 ADMM 将问题分解为针对 BS 波束形成器和 IRS 系数的可处理的 SOCP 子问题，并包含 IRS 更新的投影步骤。
• 通过采用基于 SVD 的零空间设计来强制实现簇间干扰为零，提出一个低复杂度的基于 ZF 的次优算法。
• 推导辅助变量和对偶变量的闭式更新，并分析所提方案的计算复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多簇 MISO-NOMA IRS 辅助下行中，基站波束形成器和 IRS 反射系数的联合优化是否能在每个用户速率要求下最小化总发射功率？
• RQ2 SOCP-ADMM 解在性能和复杂度方面与基于 SDP 的方法相比如何？
• RQ3 基于零强制的次优算法在功率效率方面是否具有竞争力，特别是当 IRS 元件数量较多时？
• RQ4 不同的 IRS 反射系数模型（连续振幅/相位、单位模相位和量化相位）如何影响最优设计和功率消耗？

主要发现

• SOCP-ADMM 算法相比传统的 SDP 基方法在功率上具有显著节省。
• 随着被动 IRS 元件数量的增加，ZF 基次优算法在某些情形下优于 SDP 基方法。
• 所提出的框架能够适用于 Case I（连续振幅/相位）、Case II（单位模相位）和 Case III（量化相位）IRS 模型。
• 该方法为实际 IRS 尺寸提供具有可实现计算复杂度的局部最优解。