[論文レビュー] A Multi-Beam NOMA Framework for Hybrid mmWave Systems

Zhiqiang Wei, Lou Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、1つのRFチェーンから複数のアナログビームを生成するためにビームスプリッティングを用いる、ハイブリッドミリ波（mmWave）システム向けのマルチビーム非直交多重アクセス（NOMA）フレームワークを提案する。このフレームワークにより、送信方向角（AOD）が異なるユーザーに対する同時伝送が可能となり、単一ビームNOMAおよび時分割多重アクセス（TDMA）よりも高いスペクトル効率を達成する。高SNRおよび大規模アレイアンテナ下での性能優位性は、解析的条件によって裏付けられている。

ABSTRACT

In this paper, we propose a multi-beam non-orthogonal multiple access (NOMA) framework for hybrid millimeter wave (mmWave) systems. The proposed framework enables the use of a limited number of radio frequency (RF) chains in hybrid mmWave systems to accommodate multiple users with various angles of departures (AODs). A beam splitting technique is introduced to generate multiple analog beams to facilitate NOMA transmission. We analyze the performance of a system when there are sufficient numbers of antennas driven by a single RF chain at each transceiver. Furthermore, we derive the sufficient and necessary conditions of antenna allocation, which guarantees that the proposed multi-beam NOMA scheme outperforms the conventional time division multiple access (TDMA) scheme in terms of system sum-rate. The numerical results confirm the accuracy of the developed analysis and unveil the performance gain achieved by the proposed multi-beam NOMA scheme over the single-beam NOMA scheme.

研究の動機と目的

• RFチェーン数が少ないことによるハイブリッドmmWaveシステムにおけるユーザー多重化能力の制限を解消する。
• mmWave帯域における従来の直交多重アクセス（OMA）および単一ビームNOMAの制約（狭いビームによるユーザーグループ化の制限）を克服する。
• 1つのRFチェーンあたり複数のアナログビームを活用することで、空間多重を活用した柔軟で高容量のマルチユーザーアクセスを実現する。
• システム合計スループットに対するTDMAを上回る性能を保証するアンテナ割り当ての解析的条件を導出する。
• 実際のmmWaveチャネル環境下で、スペクトル効率およびユーザーの角度分布に対するロバストネスの観点から、マルチビームNOMAが単一ビームNOMAおよびTDMAを上回ることを示す。

提案手法

• 全アンテナアレイを複数のサブアレイに分割するビームスプリッティング技術を導入し、各サブアレイが独立したアナログビームを生成する。
• 各NOMAグループに1つのRFチェーンを割り当て、各グループは異なる送信方向角（AOD）を持つユーザーを複数のアナログビームで同時にサービス可能にする。
• 各NOMAグループ内でのユーザー間で等価なパワー割り当てを行い、TDMAベースラインと公平な比較を実施するため、時間割り付けも等しくする。
• 大規模アンテナおよび高SNR領域における漸近的システム合計スループットの式を導出し、理想状態下での性能を分析する。
• マルチビームNOMAがTDMAを上回ることを保証するアンテナ割り当ての十分かつ必要条件（式22および式30）を確立する。
• 変動する送信パワーおよびユーザーのチャネル利得比の下で、シミュレーションにより解析結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドmmWaveシステムにおいて、1つのRFチェーンのみを用いて任意のAODを持つ複数ユーザーをサポートできるマルチビームNOMAフレームワークを設計可能か？
• RQ2 提案されたマルチビームNOMAがTDMAを上回る合計スループットを達成するためのアンテナ割り当ての十分かつ必要条件は何か？
• RQ3 実際のmmWaveチャネル環境下で、スペクトル効率という観点から、提案されたマルチビームNOMAの性能は単一ビームNOMAおよびTDMAと比べてどの程度優れているか？
• RQ4 システム合計スループットは、1ビームあたりのアンテナ数および送信パワーに対してどの程度スケーリングするか？
• RQ5 漸近的解析は、高SNRおよび大規模アンテナ領域におけるマルチビームNOMAとTDMAの性能向上をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• シミュレーションおよび漸近的解析により、最も強いユーザーに割り当てられるアンテナ数（$M_1$）が増加するにつれて、システム合計スループットが単調に増加することが確認された。
• 導出されたアンテナ割り当て条件（式30）は、マルチビームNOMAがTDMAを上回る合計スループットを達成するための閾値を正確に予測している。
• 送信パワー（$p_{ ext{max}}$）が増加しても、マルチビームNOMAの性能向上は一定のままであるため、高SNR下では空間多重とチャネル利得差が主な要因であることが示された。
• ベースラインの単一ビームNOMAと比較して、提案されたマルチビームNOMAは、異なるAODを持つユーザーを同時にサービス可能であるため、顕著な性能向上を達成している。
• シミュレーション結果は、漸近的解析の正確性を裏付け、合計スループットおよび性能閾値の理論的予測と実測値の間で良好な一致が得られている。
• マルチビームNOMAのシステム合計スループットは、ユーザー間のチャネル利得差が大きいほど増加するため、チャネル強度差を活用するパワー領域多重の効率性が明確に示された。