The fundamental capacity limits of intelligent reflecting surface (IRS)-assisted multi-user wireless communication systems are investigated in this article. Specifically, the capacity and rate regions for both capacity-achieving non-orthogonal multiple access (NOMA) and orthogonal multiple access (OMA) transmission schemes are characterized by jointly optimizing the IRS reflection matrix and wireless resource allocation under the constraints of a maximum number of IRS reconfiguration times. In NOMA, all users are served in the same resource blocks by employing superposition coding and successive interference cancelation techniques. In OMA, all users are served by being allocated orthogonal resource blocks of different sizes. For NOMA, the ideal case with an asymptotically large number of IRS reconfiguration times is firstly considered, where the optimal solution is obtained by employing the Lagrange duality method. Inspired by this result, an inner bound of the capacity region for the general case with a finite number of IRS reconfiguration times is derived. For OMA, the optimal transmission strategy for the ideal case is to serve each individual user alternatingly with its effective channel power gain maximized. Based on this result, a rate region inner bound for the general case is derived. Finally, numerical results are provided to show that: i) a significant capacity and rate region improvement can be achieved by using IRS; ii) the capacity gain can be further improved by dynamically configuring the IRS reflection matrix.

中文翻译：

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IRS 辅助多用户通信系统的容量和最佳资源分配

本文研究了智能反射面 (IRS) 辅助多用户无线通信系统的基本容量限制。具体而言，容量实现非正交多址（NOMA）和正交多址（OMA）传输方案的容量和速率区域的特点是在最大数量的约束下联合优化IRS反射矩阵和无线资源分配。 IRS 重新配置时间。在 NOMA 中，通过采用叠加编码和连续干扰消除技术，所有用户都在相同的资源块中得到服务。在 OMA 中，通过分配不同大小的正交资源块来为所有用户提供服务。对于 NOMA，首先考虑具有渐近大量 IRS 重新配置次数的理想情况，其中最优解是采用拉格朗日对偶法得到的。受此结果的启发，导出了具有有限数量 IRS 重新配置次数的一般情况下容量区域的内界。对于 OMA，理想情况下的最佳传输策略是交替服务每个单独的用户，并使其有效信道功率增益最大化。基于该结果，推导出一般情况的速率区域内界。最后，提供的数值结果表明：i) 使用 IRS 可以实现显着的容量和速率区域改进；ii) 通过动态配置 IRS 反射矩阵可以进一步提高容量增益。推导出具有有限数量的 IRS 重新配置时间的一般情况的容量区域的内界。对于 OMA，理想情况下的最佳传输策略是交替服务每个单独的用户，并使其有效信道功率增益最大化。基于该结果，推导出一般情况的速率区域内界。最后，提供的数值结果表明：i) 使用 IRS 可以实现显着的容量和速率区域改进；ii) 通过动态配置 IRS 反射矩阵可以进一步提高容量增益。推导出具有有限数量的 IRS 重新配置时间的一般情况的容量区域的内界。对于 OMA，理想情况下的最佳传输策略是交替服务每个单独的用户，并使其有效信道功率增益最大化。基于该结果，推导出一般情况的速率区域内界。最后，提供的数值结果表明：i) 使用 IRS 可以实现显着的容量和速率区域改进；ii) 通过动态配置 IRS 反射矩阵可以进一步提高容量增益。推导出一般情况的速率区域内界。最后，提供的数值结果表明：i) 使用 IRS 可以实现显着的容量和速率区域改进；ii) 通过动态配置 IRS 反射矩阵可以进一步提高容量增益。推导出一般情况的速率区域内界。最后，提供的数值结果表明：i) 使用 IRS 可以实现显着的容量和速率区域改进；ii) 通过动态配置 IRS 反射矩阵可以进一步提高容量增益。