[论文解读] Resource Allocation in Intelligent Reflecting Surface Assisted NOMA Systems

Jiakuo Zuo, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用 17

一句话总结

本文提出了一种针对智能反射面（IRS）辅助非正交多址（NOMA）系统的三步资源分配算法，通过联合优化用户配对、功率分配和相位偏移，以最大化系统吞吐量。与传统NOMA和IRS-OMA系统相比，该方法在频谱效率方面实现了显著增益，且最优IRS部署可进一步提升性能。

ABSTRACT

This paper investigates the downlink communications of intelligent reflecting surface (IRS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) systems. To maximize the system throughput, we formulate a joint optimization problem over the channel assignment, decoding order of NOMA users, power allocation, and reflection coefficients. The formulated problem is proved to be NP-hard. To tackle this problem, a three-step novel resource allocation algorithm is proposed. Firstly, the channel assignment problem is solved by a many-to-one matching algorithm. Secondly, by considering the IRS reflection coefficients design, a low-complexity decoding order optimization algorithm is proposed. Thirdly, given a channel assignment and decoding order, a joint optimization algorithm is proposed for solving the joint power allocation and reflection coefficient design problem. Numerical results illustrate that: i) with the aid of IRS, the proposed IRS-NOMA system outperforms the conventional NOMA system without the IRS in terms of system throughput; ii) the proposed IRS-NOMA system achieves higher system throughput than the IRS assisted orthogonal multiple access (IRS-OMA) systems; iii) simulation results show that the performance gains of the IRS-NOMA and the IRS-OMA systems can be enhanced via carefully choosing the location of the IRS.

研究动机与目标

• 解决IRS辅助NOMA下行链路系统中，联合优化多个资源分配变量以最大化系统吞吐量的挑战。
• 克服IRS-NOMA系统中联合用户信道分配、解码顺序、功率分配和反射系数设计带来的NP难复杂度问题。
• 设计一种低复杂度、近似最优的解决方案，使其在频谱效率和覆盖范围方面优于传统NOMA和IRS-OMA系统。
• 研究IRS位置对系统性能的影响，以指导实际部署。

提出的方法

• 建立联合优化问题，涵盖信道分配、解码顺序、功率分配和IRS反射系数，证明其为NP难问题。
• 通过基于用户和信道效用的多对一匹配算法求解信道分配，确保稳定性和收敛性。
• 提出一种低复杂度的解码顺序优化算法，利用用户信道增益和IRS引入的相位偏移，避免穷举搜索。
• 采用交替优化和连续凸逼近（SCA）方法，在功率和相位约束下联合求解功率分配和反射系数设计。
• 在匹配算法中引入基于交换操作的优化步骤，以提升效用并确保收敛性。
• 采用三阶段顺序优化：(1) 基于匹配的信道分配，(2) 解码顺序选择，(3) 联合功率与相位优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过联合优化信道分配、解码顺序、功率分配和IRS反射系数，以最大化IRS-NOMA系统的系统吞吐量？
• RQ2 在频谱效率方面，IRS-NOMA相较于传统NOMA和IRS-OMA系统具有多大性能增益？
• RQ3 IRS位置如何影响IRS-NOMA部署中的系统吞吐量？
• RQ4 低复杂度算法能否实现与穷举搜索方法相当的近似最优性能？
• RQ5 IRS引入的信道增益增强对NOMA系统中用户公平性和频谱效率有何影响？

主要发现

• 在IRS位置为10 m时，所提出的IRS-NOMA系统相较于无IRS的传统NOMA系统，系统吞吐量增益达4.1 bit/s/Hz。
• 在IRS位置为45 m时，由于IRS-用户链路更强，系统吞吐量增益进一步提升至6.1 bit/s/Hz。
• 所提出的三步算法在显著降低复杂度的前提下，实现了接近最优的性能，尤其在信道分配方面优势明显。
• 解码顺序优化算法在性能上可与穷举搜索相媲美，但计算成本大幅降低。
• IRS辅助的NOMA在频谱效率方面优于IRS-OMA系统，证明了NOMA的复用增益与IRS的信道增强能力之间存在协同效应。
• 系统性能对IRS部署位置高度敏感；将IRS最优部署于用户附近可最大化联合信道增益和系统吞吐量。