[论文解读] Throughput Maximization for IRS-Assisted Wireless Powered Hybrid NOMA and TDMA

Ding-Cai Zhang, Qingqing Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种在智能反射面（IRS）辅助的无线能量网络中，结合非正交多址（NOMA）与时 division multiple access（TDMA）的混合方案，通过联合优化IRS相位偏移和时隙分配，以最大化系统吞吐量。该算法采用块坐标上升法（BCA）、半定松弛（SDR）和顺序秩一约束松弛（SROCR），实现接近最优的性能，相较于基准方案吞吐量增益最高达30%，且当用户被划分为更多簇且信道特性差异较大时性能更优。

ABSTRACT

The high reflect beamforming gain of the intelligent reflecting surface (IRS) makes it appealing not only for wireless information transmission but also for wireless power transfer. In this letter, we consider an IRS-assisted wireless powered communication network, where a base station (BS) transmits energy to multiple users grouped into multiple clusters in the downlink, and the clustered users transmit information to the BS in the manner of hybrid non-orthogonal multiple access and time division multiple access in the uplink. We investigate optimizing the reflect beamforming of the IRS and the time allocation among the BS's power transfer and different user clusters' information transmission to maximize the throughput of the network, and we propose an efficient algorithm based on the block coordinate ascent, semidefinite relaxation, and sequential rank-one constraint relaxation techniques to solve the resultant problem. Simulation results have verified the effectiveness of the proposed algorithm and have shown the impact of user clustering setup on the throughput performance of the network.

研究动机与目标

• 为解决IRS辅助的无线能量网络中用户设备复杂度与频谱效率之间的权衡问题。
• 克服传统NOMA系统中连续干扰 cancellation（SIC）复杂度高及误差传播的问题。
• 设计一种结合NOMA与TDMA的混合多址方案，以减轻SIC负担，同时保持性能增益。
• 通过联合优化IRS反射波束成形与时隙分配，最大化无线能量通信系统中的网络吞吐量。

提出的方法

• 采用块坐标上升法（BCA）迭代优化时隙分配与IRS相位偏移。
• 应用半定松弛（SDR）处理反射波束成形优化中的非凸秩一约束。
• 采用顺序秩一约束松弛（SROCR）从松弛问题中恢复可行的相位偏移解。
• 系统模型假设信道状态信息完美，且基站与IRS均配备单天线，IRS包含N个无源反射单元。
• 引入一种混合多址策略：同一簇内的用户使用NOMA，不同簇之间使用TDMA，以降低SIC复杂度。
• 优化下行链路能量传输与上行链路信息传输的时隙分配，以最大化总吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRS辅助的无线能量通信网络中，所提出的混合NOMA与TDMA方案相较于纯NOMA或TDMA在吞吐量与复杂度方面表现如何？
• RQ2 用户聚类策略对IRS辅助混合多址系统性能有何影响？
• RQ3 与连续相位偏移相比，离散相位偏移（有限分辨率）对系统吞吐量有何影响？
• RQ4 为最大化网络吞吐量，能量传输与信息传输之间最优的时间分配比例如何？
• RQ5 在采用混合多址的无线能量网络中，IRS反射波束成形能在多大程度上提升系统性能？

主要发现

• 所提算法实现的吞吐量非常接近理论上限，显著优于基准算法，包括'Optimized IRS w/ TA (same IRS)'与'Random IRS w/ TA'。
• 随着每个反射单元控制比特数的增加，连续与离散相位偏移之间的性能差距减小，当b=3时已接近连续相位性能。
• LCSD（大信道增益差异）用户分组方案实现最高吞吐量，而SCSD（小信道增益差异）方案吞吐量最低，原因在于前者能更有效地利用波束成形增益。
• 增加用户簇数可提升吞吐量，因为联合IRS波束成形与时隙分配优化的自由度更多。
• 所提算法相比'Random IRS w/ TA'基准方案，吞吐量最高提升达30%，证明了联合IRS与时隙分配优化的有效性。