[論文レビュー] Energy-Efficient Power Allocation in Millimeter Wave Massive MIMO with Non-Orthogonal Multiple Access

Wanming Hao, Ming Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、限られたRFチェーンを備えたミリ波マッシブMIMOシステムにおける非直交多重アクセス（NOMA）を用いたエネルギー効率の高い電力割当方式を提案する。チャネル相関と利得差に基づいてユーザーをクラスタリングし、QoSおよび各クラスタの電力制約下で最適化する反復的アルゴリズムを採用することで、従来のOMAよりも高いエネルギー効率を達成する。シミュレーションでは、特に低～中程度の送信電力レベルにおいて、EE性能が顕著に優れていることが示された。

ABSTRACT

In this letter, we investigate the energy efficiency (EE) problem in a millimeter wave (mmWave) massive MIMO (mMIMO) system with non-orthogonal multiple access (NOMA). Multiple two-user clusters are formulated according to their channel correlation and gain difference. Following this, we propose a hybrid analog/digital precoding scheme for the low radio frequency (RF) chains structure at the base station (BS). On this basis, we formulate a power allocation problem aiming to maximize the EE under users' quality of service (QoS) requirements and per-cluster power constraint. An iterative algorithm is proposed to obtain the optimal power allocation. Simulation results show that the proposed NOMA achieves superior EE performance than that of conventional OMA.

研究の動機と目的

• 5Gのミリ波マッシブMIMOシステムにおけるエネルギー効率（EE）の向上という増大するニーズに対応する。スペクトル効率の向上と低い回路電力の両立が不可欠である。
• 限られたRFチェーンと各クラスタの電力制約を伴うダウンリンクのミリ波マッシブMIMO-NOMAシステムにおけるEE最大化問題を定式化し、解法を提示する。
• ハードウェアの複雑さを低減しながらスペクトル効率およびエネルギー効率を維持するため、ハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミング方式を設計する。
• チャネル相関とパス利得差に基づくユーザークラスタリングおよび各クラスタの電力制約を導入することで、すべてのユーザーに対する公平性とQoSを確保する。
• 非凸な分数的EE最適化問題を解くための反復的アルゴリズムを開発し、最適な電力割当を達成する。

提案手法

• チャネル相関（Corr ≥ 0.8）とパス利得差に基づいてユーザーを2ユーザーのグループにクラスタリングし、チャネルの類似性を活用してNOMAを実現する。
• 各クラスタごとにコードブックベースのアプローチを用いてアナログビームフォーミングベクトルを設計し、送信エネルギーを支配的な角度方向に集中させる。
• 強いユーザーのチャネルに基づいてゼロフォーカス（ZF）デジタルビームフォーミングを適用し、デジタルドメインでクラスタ間干渉を抑制する。
• ユーザーのQoS（1 bit/s/Hz）および各クラスタの送信電力制約を満たす条件下で、EE最大化問題を分数プログラミング問題として定式化する。
• 分数的EE問題を差分形式に変換し、双対分解および部分勾配法を用いて複数の凸部分問題に分解する。
• 二段階の反復的アルゴリズムを提案：外側ループで双対変数を更新し、内側ループで部分勾配法により凸部分問題を解き、最適解への収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限られたRFチェーンを有するミリ波マッシブMIMOシステムにおいて、NOMAは従来のOMAよりも高いエネルギー効率を達成できるか？
• RQ2 チャネル相関とパス利得差に基づくユーザークラスタリングは、ミリ波NOMAシステムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ハイブリッドビームフォーミングを用いたミリ波システムにおいて、QoSおよび各クラスタの電力制約を満たす最適な電力割当戦略は何か？
• RQ4 RFチェーンの数は、ハイブリッドビームフォーミングNOMAシステムにおけるスペクトル効率とエネルギー効率のトレードオフにどのように影響を与えるか？
• RQ5 非凸な分数的EE最適化問題を解くために、反復的アルゴリズムはミリ波マッシブMIMO-NOMAに有効に機能するか？

主な発見

• 提案されたNOMA方式は、全送信電力レベルにおいて従来のOMAよりも顕著に高いエネルギー効率を達成する。特に低～中程度の電力レベルで顕著な優位性を示す。
• エネルギー効率は特定の送信電力レベルでピークに達し、その後低下する。これは、エネルギー効率の観点から全出力電力での送信が最適ではないことを示している。
• RFチェーンの数を増やすとスペクトル効率は向上するが、追加のRFチェーンおよび位相シフト器に伴う回路電力消費の増加により、エネルギー効率は低下する。
• 8つのRFチェーンを備えたハイブリッドビームフォーミング方式は、1アンテナあたり1つのRFチェーンを有するデジタルビームフォーミングよりも高いEEを達成しており、ハイブリッドアーキテクチャが回路電力の低減に有効であることを示している。
• 提案された反復的アルゴリズムは、グローバル最適解に収束する。シミュレーション結果により、目的関数が単調に改善され、定常点に収束することが確認された。
• 全送信電力30 dBmでピークEEは約12.5 bits/s/Hz per Jouleに達し、同じ条件下でNOMAはOMAを最大25%のEE向上で上回った。