[论文解读] User Scheduling and Passive Beamforming for FDMA/OFDMA in Intelligent Reflection Surface

Wei Jiang, Hans D. Schotten|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 5

一句话总结

本文研究了在智能反射面（IRS）增强的FDMA/OFDMA系统中用户调度与无源波束成形的问题，揭示了当用户数量较少时用户调度并不必要，而当用户数量较多时，既无需用户调度也无需波束成形优化，从而在实现接近最优频谱效率的同时显著简化系统设计。

ABSTRACT

Most prior works on intelligent reflecting surface (IRS) merely consider point-to-point communications, including a single user, for ease of analysis. Nevertheless, a practical wireless system needs to accommodate multiple users simultaneously. Due to the lack of frequency-selective reflection, namely the set of phase shifts cannot be different across frequency subchannels, the integration of IRS imposes a fundamental challenge to frequency-multiplexing approaches such as frequency-division multiple access (FDMA) and the widely adopted technique called orthogonal FDMA (OFDMA). It motivates us to study (O)FDMA-based multi-user IRS communications to clarify which user scheduling and passive beamforming are favorable under this non-frequency-selective reflection environment. Theoretical analysis and numerical evaluation reveal that (O)FDMA does not need user scheduling when there are a few users. If the number of users becomes large, neither user scheduling nor IRS reflection optimization is necessary. These findings help substantially simplify the design of (O)FDMA-based IRS communications.

研究动机与目标

• 解决将非频率选择性IRS与FDMA和OFDMA等频分复用技术集成到多用户场景中的挑战。
• 探究在具有有限频率选择性反射能力的IRS辅助FDMA系统中，用户调度与无源波束成形优化是否能带来性能增益。
• 在IRS实际硬件约束（特别是缺乏子载波特定相移）条件下，确定最优系统设计策略。
• 从频谱效率与复杂度角度，对比各种用户调度与波束成形策略（如穷举法、随机选择、最近/最远用户选择）的性能表现。
• 推导理论洞见并通过数值结果验证，以简化未来6G FDMA/OFDMA网络中IRS的部署。

提出的方法

• 提出一种下行链路多用户MIMO系统，包含一个基站（BS）、K个单天线用户，以及一个具有N个无源反射单元的IRS。
• 将IRS建模为具有频率平坦（非频率选择性）相移矩阵Θ的无源反射器，限制了子载波特定的波束成形能力。
• 分析不同用户调度策略下的频谱效率：穷举搜索（FDMA-EUS）、随机选择（FDMA-RU）、最近/最远用户选择（FDMA-Near/Far）以及固定用户选择。
• 在固定用户选择条件下，采用交替优化方法联合优化用户特定预编码器与IRS相位偏移，收敛速度约为3次迭代。
• 通过包含小区中心与小区边缘用户的实际仿真设置评估性能，并以TDMA和NOMA作为基准进行比较。
• 推导理论频谱效率表达式，并通过在不同用户数（K=2和K=20）下的数值结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有非频率选择性IRS反射的FDMA-IRS系统中，用户调度是否能带来性能增益？
• RQ2 在FDMA-IRS系统中，为了最大化频谱效率，是否必须联合优化IRS的无源波束成形？
• RQ3 用户数量如何影响FDMA-IRS系统中用户调度与波束成形优化的必要性？
• RQ4 最优策略（如结合最优相位偏移的穷举用户搜索）与低复杂度替代方案（如随机用户与相位选择）之间的性能差距如何？
• RQ5 在高用户密度的FDMA-IRS场景中，随机用户选择与随机相位偏移能否实现接近最优的频谱效率？

主要发现

• 当用户数量较少时（如K=2），用户调度带来的增益微乎其微，FDMA-IRS系统无需用户调度即可实现最优性能。
• 当用户数量较大时（如K=20），既无需用户调度也无需无源波束成形优化，随机选择即可实现接近最优的频谱效率，频谱效率损失不足1 bps/Hz。
• 即使采用随机相位偏移，FDMA-IRS系统仍能实现95%概率下的频谱效率为15 bps/Hz，50%概率下的速率可达18.6 bps/Hz，相比无IRS的传统FDMA系统性能提升近三倍。
• 结合最优相位偏移的穷举用户选择（FDMA-EUS）可实现95%概率下19 bps/Hz、50%概率下22.5 bps/Hz的频谱效率，仅略优于固定用户选择（最近/最远）策略。
• 由于时分复用波束成形的优势，TDMA-IRS的频谱效率更高（95%概率下为22.18 bps/Hz），但FDMA-IRS采用随机选择时，其性能可达到TDMA-IRS的95%，且复杂度显著更低。
• 研究结果表明，在高用户场景下，可避免级联信道估计、IRS调谐与智能控制器回传，从而在不损失性能的前提下大幅简化系统设计。