多IRS輔助的NOMA URLLC系統(tǒng)性能優(yōu)化

邱小劍 阮杰 付珍 崔苗 張廣馳 張璨

摘 要：工業(yè)自動(dòng)化等新型無線通信場(chǎng)景具有嚴(yán)格的低時(shí)延性和高可靠性需求，在網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合使用智能反射面（IRS）、非正交多址接入（NOMA）以及超可靠低時(shí)延通信（URLLC）技術(shù)能支持海量終端接入，并提供更低的通信時(shí)延、更高的可靠性，以及更高的吞吐量性能?？紤]多IRS輔助的NOMA URLLC系統(tǒng)在多個(gè)用戶被劃分為多個(gè)簇的情況下，用戶簇和IRS如何最佳配對(duì)和通信資源如何優(yōu)化的問題，研究了聯(lián)合優(yōu)化用戶發(fā)射功率分配、IRS反射波束成型以及用戶簇IRS配對(duì)決策問題，最大化用戶的吞吐量之和。為解決所考慮的非凸優(yōu)化問題，提出一種基于交替迭代算法，通過巧妙地引入松弛變量，并采用半正定松弛方法，高效求解功率分配優(yōu)化、IRS反射波束成型優(yōu)化以及用戶簇IRS配對(duì)決策優(yōu)化三個(gè)子問題。仿真結(jié)果表明，所提算法能顯著提高系統(tǒng)吞吐量，并且顯示了用戶簇IRS配對(duì)決策優(yōu)化的必要性與有效性。

關(guān)鍵詞：智能反射表面；超可靠低時(shí)延通信；非正交多址接入；反射波束成型

中圖分類號(hào)：TP929?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695（2023）09-040-2815-05

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2022.12.0826

Performance optimization for multi-IRS-assisted NOMA URLLC systems

Qiu Xiaojian1，Ruan Jie1，F(xiàn)u Zhen1，Cui Miao2，Zhang Guangchi2，Zhang Can2

（1.Jiangxi Institute of Civil Military Integration，Nanchang 300114，China；2.School of Information Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Abstract：New wireless communication scenarios such as automated factories have stringent reliability and low latency requirements.In such wireless networks，the joint application of the intelligent reflecting surface （IRS），non-orthogonal multiple access （NOMA） ，and ultra-reliable and low-latency communication （URLLC） techniques have the potential to provide lower communication latency，higher reliability，and higher throughput performance，as compared to traditional wireless communication techniques.In a multi-IRS-assisted NOMA URLLC system where multiple users are divided into various clusters，this paper considered the problems of how to pair user clusters and IRSs and how to optimize the communication resource allocation.Specifically，it jointly investigated the user transmit power allocation，IRS reflection beamforming，and user-cluster-IRS pairing decision problems to maximize the sum of user throughputs.To solve the resulting non-convex optimization problem，it proposed an alternating iteration-based algorithm，which solved the three subproblems of power allocation optimization，IRS reflection beamforming optimization，and user cluster IRS pairing decision optimization alternately until achieving convergence by appropriately introducing slack variables and by using the semidefinite relaxation technique.Simulation results show that the proposed algorithm can significantly improve the systems throughput and verify the necessity and effectiveness of user cluster-IRS pairing decision optimization.

Key words：intelligent reflecting surface；ultra-reliable and low-latency communication；non-orthogonal multiple access；reflection beamforming optimization

0 引言

面對(duì)自動(dòng)駕駛、自動(dòng)化工廠等對(duì)可靠性和低時(shí)延有嚴(yán)格要求的新型通信場(chǎng)景，超可靠低時(shí)延通信（ultra-reliable and low-latency communication，URLLC）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為了5G/6G的主要通信類型之一［1，2］。為了實(shí)現(xiàn)低時(shí)延，URLLC使用了短包通信技術(shù)，即通信傳輸使用的是包長(zhǎng)度有限的數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊由有限個(gè)符號(hào)組成。URLLC能為車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)提供低時(shí)延、高可靠的無線通信服務(wù)，在遠(yuǎn)程交互式控制、智能設(shè)備管理、能源管理等方面有極高的應(yīng)用價(jià)值。另一方面，隨著無線物聯(lián)技術(shù)的普及，未來的車輛網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將具有海量終端接入的要求。為滿足該需求，非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它允許多個(gè)終端同時(shí)復(fù)用同一無線信道，擁有高頻譜效率以及支持大規(guī)模用戶接入的優(yōu)點(diǎn)，是5G的關(guān)鍵技術(shù)［3］。因此，NOMA URLLC系統(tǒng)能同時(shí)滿足無線通信低時(shí)延、高可靠和海量接入的要求，備受車輛網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的青睞［4，5］。

實(shí)際上，在車聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中，往往存在建筑物、樹木、車輛等障礙物。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在自動(dòng)化工廠場(chǎng)景中，往往存在金屬機(jī)械、可移動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)以及生產(chǎn)設(shè)施的密集部署。在這些情況下，無線信號(hào)容易受到阻擋，從而導(dǎo)致NOMA URLLC系統(tǒng)的應(yīng)用性能下降。如何提高實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中NOMA URLLC的可靠性并優(yōu)化通信吞吐量是值得研究的關(guān)鍵問題。近年來，智能反射表面（intelligent reflecting surface，IRS）成為一種無線信號(hào)傳播的新使能技術(shù)。IRS由大量的無源反射元件組成，通過編程方式可以獨(dú)立控制每個(gè)元件反射信號(hào)的相位和幅度，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線信道的智能增強(qiáng)，并且反射過程幾乎不產(chǎn)生熱噪聲，為解決無線信道的衰落損耗和干擾問題提供了革新性的手段，擁有提高無線通信有效性和可靠性的巨大潛力［6，7］。IRS為5G/6G提供了新的通信范式——IRS輔助無線通信［8～11］。因此，在IRS的輔助下，NOMA URLLC系統(tǒng)有望取得更低的通信時(shí)延、更高的可靠性和更高的吞吐量性能［12］。

一些學(xué)者已展開對(duì)基于短包通信的NOMA URLLC系統(tǒng)研究以及IRS輔助NOMA系統(tǒng)研究。文獻(xiàn)［13］研究了NOMA URLLC系統(tǒng)的吞吐量?jī)?yōu)化，顯示了在給定數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度即時(shí)延下，NOMA可以取得更優(yōu)于OMA（orthogonal multiple access）的吞吐量性能，且隨著數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度增加，NOMA的優(yōu)勢(shì)更突出。文獻(xiàn)［14］研究了NOMA URLLC系統(tǒng)具有嚴(yán)格異質(zhì)時(shí)延約束的傳輸能量最小化問題。文獻(xiàn)［15］研究了下行多載波NOMA URLLC系統(tǒng)中的吞吐量最大化問題。文獻(xiàn)［16］的研究表明，優(yōu)化IRS反射波束成型可以幫助降低NOMA網(wǎng)絡(luò)中用戶的中斷概率。文獻(xiàn)［17］研究了IRS輔助下行NOMA系統(tǒng)，優(yōu)化IRS反射波束成型，最大化用戶和速率。文獻(xiàn)［18］研究了IRS輔助下行NOMA系統(tǒng)，通過優(yōu)化IRS反射波束成型實(shí)現(xiàn)能量效率最大化。值得注意的是，上述研究工作表明NOMA十分適用于URLLC系統(tǒng)，可有效降低時(shí)延。上述研究還表明，IRS的反射波束成型設(shè)計(jì)能有效改善NOMA系統(tǒng)的信道質(zhì)量，并提供額外的自由度來改善NOMA系統(tǒng)的通信性能，可見IRS是解決NOMA URLLC系統(tǒng)的低質(zhì)量信道問題的有效技術(shù)。

已有研究通常只考慮部署單個(gè)IRS。由于單個(gè)IRS的覆蓋范圍有限，在一些復(fù)雜的無線電傳播環(huán)境中，如有多個(gè)轉(zhuǎn)角的室內(nèi)走廊或有密集障礙物的室外環(huán)境，從發(fā)射機(jī)到IRS的信道和/或從IRS到接收機(jī)的信道可能被阻斷，所以部署單個(gè)IRS很難實(shí)現(xiàn)性能的全面提高，應(yīng)用環(huán)境受限。與部署單個(gè)IRS相比，部署多個(gè)IRS具有更大的靈活性，有更大的概率建立有利的高質(zhì)量無線信道，繞過阻塞的障礙物，提高接收機(jī)的接收信號(hào)功率。因此，部署多個(gè)IRS將提供更大的自由度進(jìn)行系統(tǒng)性能優(yōu)化，與單IRS系統(tǒng)相比，可以進(jìn)一步提高通信性能［19，20］。

本文考慮多IRS輔助NOMA URLLC系統(tǒng)的通信資源分配優(yōu)化。該系統(tǒng)通過指配不同的IRS輔助不同的用戶簇，實(shí)現(xiàn)通信性能的最優(yōu)化。本文研究聯(lián)合優(yōu)化用戶簇IRS配對(duì)、IRS的反射波束成型，以及用戶的發(fā)射功率分配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化。所考慮的優(yōu)化問題涉及二進(jìn)制離散配對(duì)變量，并且具有非凸的結(jié)構(gòu)，因而難以直接求解。本文提出求解該問題的高效算法：首先，通過將用戶簇IRS配對(duì)決策涉及的二進(jìn)制變量松弛為連續(xù)變量；然后，采用基于塊坐標(biāo)下降法對(duì)優(yōu)化變量解耦合；最后，通過巧妙地引入松弛變量，并采用半正定松弛以及高斯隨機(jī)方法求解松弛與解耦合后得到的多個(gè)子問題。本文通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了所提算法的性能，結(jié)果表明，與幾種基準(zhǔn)方案相比，所提算法取得了顯著的吞吐量增益。

3 仿真結(jié)果

本文提供五種基準(zhǔn)算法來與所提算法進(jìn)行對(duì)比分析，五種基準(zhǔn)算法分別是：

a）窮舉算法基準(zhǔn)方案。該基準(zhǔn)方案通過遍歷所有用戶簇IRS配對(duì)決策情況，并取遍歷的最大值來作為最優(yōu)結(jié)果，每次遍歷時(shí)聯(lián)合優(yōu)化用戶分配功率和IRS反射波束成型。通過這種方法可獲得最佳用戶簇IRS配對(duì)決策情況，但在K個(gè)用戶簇和I個(gè)IRS的情況下，會(huì)有KI種配對(duì)情況，且隨著用戶簇和IRS個(gè)數(shù)的增加而指數(shù)級(jí)增加，難以實(shí)際應(yīng)用。

b）固定配對(duì)決策基準(zhǔn)方案。該基準(zhǔn)方案固定選擇一種用戶簇IRS配對(duì)決策，聯(lián)合優(yōu)化用戶分配功率和IRS反射波束成型。

c）固定功率基準(zhǔn)方案。該基準(zhǔn)方案固定用戶分配功率，聯(lián)合優(yōu)化IRS反射波束成型和用戶簇IRS配對(duì)決策。

d）固定相位基準(zhǔn)方案。該基準(zhǔn)方案固定IRS反射波束成型，聯(lián)合優(yōu)化用戶分配功率和用戶簇IRS配對(duì)決策。

e）無IRS基準(zhǔn)方案。該基準(zhǔn)方案沒有IRS輔助通信，只有基站到用戶的傳輸信道，對(duì)用戶分配功率進(jìn)行優(yōu)化。

使用MATLAB軟件和CVX套件對(duì)所提算法和上述基準(zhǔn)算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。在仿真中，設(shè)置系統(tǒng)中有K=2個(gè)用戶簇，基站到Uk，s和基站到Uk，l的距離分別為100 m和250 m，同時(shí)有I=2個(gè)IRS輔助通信，基站到兩個(gè)IRS的距離分別為5 m和155 m，兩個(gè)IRS到Uk，s的距離分別為100 m和50 m，兩個(gè)IRS到 Uk，l的距離分別為250 m和100 m。此外，所有信道為萊斯衰落信道，所提算法中所有判斷目標(biāo)值是否收斂的閾值設(shè)置為10-3。

圖2展示了當(dāng)N=400和M=20時(shí)，不同方案的用戶和吞吐量隨著最大發(fā)射功率P的變化?？梢杂^察到所有方案的吞吐量都隨著功率的增加而增加，而且所提算法的吞吐量明顯比其他方案的吞吐量高，說明所提算法的有效性?？梢杂^察到所提算法實(shí)現(xiàn)了和窮舉算法基站方案幾乎一致的吞吐量性能，這表明所提的用戶簇IRS配對(duì)決策方法是有效的，同時(shí)隨著用戶簇和IRS個(gè)數(shù)的變多，窮舉算法在遍歷次數(shù)上是指數(shù)增加的，在實(shí)現(xiàn)上是不現(xiàn)實(shí)的，這也突出了所提的用戶簇IRS配對(duì)決策方法在未來實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)越性和適用性。此外，所提算法實(shí)現(xiàn)了比固定配對(duì)決策基準(zhǔn)方案更高的吞吐量，再次驗(yàn)證了所提用戶簇IRS配對(duì)決策方法的有效性和優(yōu)越性。然后，所提算法實(shí)現(xiàn)了比固定功率基準(zhǔn)方案更高的吞吐量，驗(yàn)證了所提算法的功率分配優(yōu)化方法的有效性。最后，所提算法實(shí)現(xiàn)了比固定相位和無IRS更高的吞吐量，這驗(yàn)證了所提算法的IRS反射波束成型優(yōu)化方法的有效性。

圖3展示了當(dāng)M=20和P=20 dBm時(shí)，不同方案的用戶和吞吐量隨著數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度N的變化。從圖中可以觀察到，所有方案的吞吐量都隨著數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的增加而增加?？梢杂^察到在圖中所有的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度上，所提算法都實(shí)現(xiàn)了比其他基準(zhǔn)方案更高的吞吐量，再次驗(yàn)證了所提算法的有效性和在實(shí)現(xiàn)相同吞吐量下可降低時(shí)延的優(yōu)越性。

圖4顯示了當(dāng)N=400和P=20 dBm時(shí)，不同方案的和吞吐量隨著智能反射表面元件個(gè)數(shù)M的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，所有方案的吞吐量都會(huì)隨著智能反射表面元件個(gè)數(shù)的增加而增加，而且在所有基準(zhǔn)方案中，所提算法實(shí)現(xiàn)了最高的吞吐量。這些結(jié)果更加驗(yàn)證了所提算法的有效性，以及在提高吞吐量性能上的優(yōu)越性。值得注意的是，可以觀察到隨著智能反射元件個(gè)數(shù)的增加，所提算法實(shí)現(xiàn)的吞吐量和固定配對(duì)決策基準(zhǔn)方案實(shí)現(xiàn)的吞吐量之間的差距明顯越來越大，這是因?yàn)殡S著智能反射元件個(gè)數(shù)的增加，對(duì)IRS的反射信道的影響越大，這也表明了在部署多個(gè)反射元件個(gè)數(shù)較大的IRS下，用戶如何選擇IRS來輔助通信從而形成最佳的通信信道的用戶IRS配對(duì)決策問題研究的必要性和應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

本文研究了多個(gè)IRS輔助多用戶NOMA URLLC系統(tǒng)，考慮用戶簇在存在多個(gè)IRS的情況下，如何選擇IRS來輔助通信從而形成最佳的通信信道的具有實(shí)際應(yīng)用性的配對(duì)決策問題。提出了聯(lián)合優(yōu)化用戶發(fā)射分配功率、IRS反射波束成型和用戶簇與IRS配對(duì)決策，最大化所有用戶的和吞吐量。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果顯示優(yōu)化用戶的發(fā)射功率、IRS反射波束成型和用戶簇與IRS配對(duì)，能顯著提高NOMA URLLC系統(tǒng)的吞吐量性能，并展示了對(duì)三者進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化的有效性和必要性。本文算法可以適用于車聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中使用多個(gè)IRS輔助基站與多用戶進(jìn)行高可靠低時(shí)延通信的應(yīng)用場(chǎng)景。

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作者簡(jiǎn)介：邱小劍（1972-），副研究員，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑦b感技術(shù)；阮杰（1980-），高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檐浖畔⒐こ碳夹g(shù)；付珍（1984-），高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⑴c測(cè)試技術(shù)；崔苗（1978-），女（通信作者），主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)（single450@163.com）；張廣馳（1982-），教授，主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)；張璨（1996-），主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù).