[论文解读] Power Efficient IRS-Assisted NOMA

Jianyue Zhu, Yongming Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 35被引用 9

一句话总结

本文提出了一种智能反射表面（IRS）辅助的多输入单输出（MISO）非正交多址接入（NOMA）系统，以提升频谱效率并降低传输功率。通过联合优化波束成形向量与IRS相位移，该方案在改进的准退化条件下实现了容量可实现性能，在大多数场景下优于零强制波束成形（ZFBF），并实现了混合NOMA传输以获得最优性能。

ABSTRACT

In this paper, we propose a downlink multiple-input single-output (MISO) transmission scheme, which is assisted by an intelligent reflecting surface (IRS) consisting of a large number of passive reflecting elements. In the literature, it has been proved that nonorthogonal multiple access (NOMA) can achieve the capacity region when the channels are quasi-degraded. However, in a conventional communication scenario, it is difficult to guarantee the quasi-degradation, because the channels are determined by the propagation environments and cannot be reconfigured. To overcome this difficulty, we focus on an IRS-assisted MISO NOMA system, where the wireless channels can be effectively tuned. We optimize the beamforming vectors and the IRS phase shift matrix for minimizing transmission power. Furthermore, we propose an improved quasi-degradation condition by using IRS, which can ensure that NOMA achieves the capacity region with high possibility. For a comparison, we study zero-forcing beamforming (ZFBF) as well, where the beamforming vectors and the IRS phase shift matrix are also jointly optimized. Comparing NOMA with ZFBF, it is shown that, with the same IRS phase shift matrix and the improved quasi-degradation condition, NOMA always outperforms ZFBF. At the same time, we identify the condition under which ZFBF outperforms NOMA, which motivates the proposed hybrid NOMA transmission. Simulation results show that the proposed IRS-assisted MISO system outperforms the MISO case without IRS, and the hybrid NOMA transmission scheme always achieves better performance than orthogonal multiple access.

研究动机与目标

• 为解决在随机传播环境中难以保证信道准退化条件，从而导致NOMA系统难以实现容量可实现性能的挑战。
• 利用智能反射表面（IRS）主动重构无线信道，实现NOMA中用户信道的可控对齐。
• 联合优化波束成形向量与IRS相位移矩阵，以最小化MISO-NOMA系统中的下行链路传输功率。
• 建立一种由IRS支持的新准退化条件，确保NOMA能够实现与脏纸编码（DPC）相同的性能。
• 将NOMA与ZFBF进行比较，并提出一种混合NOMA传输方案，以实现优于正交多址接入的性能。

提出的方法

• 提出一种IRS辅助的MISO-NOMA系统，其中IRS的无源反射单元通过重构有效信道响应，实现用户信道的可控对齐。
• 引入一种新型准退化条件，其依赖于IRS的相位移，使得即使在信道本身并非退化的情况下，NOMA也能实现DPC级别的性能。
• 求解波束成形向量与IRS相位移的联合优化问题，以在服务质量（QoS）速率约束下最小化总传输功率。
• 在给定IRS相位移条件下，利用Moore-Penrose广义逆推导出波束成形向量的闭式解，从而实现高效计算。
• 在相同IRS配置下将NOMA与ZFBF进行比较，结果表明当满足改进的准退化条件时，NOMA始终优于ZFBF。
• 提出一种混合NOMA传输方案，根据信道条件动态选择NOMA或ZFBF，以实现最大性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 IRS能否用于主动重构无线信道，以在NOMA系统中实现准退化，从而实现容量可实现性能？
• RQ2 波束成形与IRS相位移的联合优化如何提升MISO-NOMA系统的功率效率？
• RQ3 在IRS辅助系统中，NOMA在何种条件下优于ZFBF，而ZFBF又在何种条件下保持优势？
• RQ4 与无IRS的传统MISO-NOMA系统相比，IRS辅助NOMA的性能增益是多少？
• RQ5 能否设计一种混合NOMA传输方案，以实现NOMA与ZFBF的动态选择，从而获得最优性能？

主要发现

• 所提出的IRS辅助NOMA系统在改进的准退化条件下可实现与脏纸编码（DPC）相同的性能，从而实现容量区域的达成。
• 当采用相同的IRS相位移矩阵和改进的准退化条件时，NOMA始终优于ZFBF，原因在于其更高的频谱效率和功率效率。
• ZFBF仅在用户信道正交时优于NOMA，这种情况发生在IRS反射矩阵为零时，表明这是一种罕见但可识别的条件。
• 仿真结果证实，与无IRS的传统MISO-NOMA系统相比，IRS辅助的MISO-NOMA系统在能量效率和频谱效率方面均显著提升。
• 所提出的混合NOMA传输方案始终优于正交多址接入（OMA），证明了智能反射面集成在未来的B5G网络中的优越性。
• 理论分析证明，在改进的准退化条件下，NOMA的最小传输功率始终小于或等于ZFBF的最小传输功率，且仅当信道正交时两者相等。