[論文レビュー] Joint Power Allocation and Beamforming for Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in 5G Millimeter-Wave Communications

Zhenyu Xiao, Lipeng Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、アナログビームフォーミング制約下で2ユーザーmmWave-NOMAシステムの和スループットを最大化するため、最適でない共同ビームフォーミングおよび電力割り当て手法を提案する。非凸問題を電力／ビームゲイン割り当ておよび定マグニチュードビームフォーミングの部分問題に分解することで、近似的に最適な和スループット性能を達成し、TDMAを著しく上回り、マルチユーザー環境へのスケーラビリティを示している。

ABSTRACT

In this paper we explore non-orthogonal multiple access (NOMA) in millimeter-wave (mmWave) communications (mmWave-NOMA). In particular, we consider a typical problem, i.e., maximization of the sum rate of a 2-user mmWave-NOMA system. In this problem, we need to find the beamforming vector to steer towards the two users simultaneously subject to an analog beamforming structure, while allocating appropriate power to them. As the problem is non-convex and may not be converted to a convex problem with simple manipulations, we propose a suboptimal solution to this problem. The basic idea is to decompose the original joint beamforming and power allocation problem into two sub-problems which are relatively easy to solve: one is a power and beam gain allocation problem, and the other is a beamforming problem under a constant-modulus constraint. Extension of the proposed solution from 2-user mmWave-NOMA to more-user mmWave-NOMA is also discussed. Extensive performance evaluations are conducted to verify the rational of the proposed solution, and the results also show that the proposed sub-optimal solution achieve close-to-bound sum-rate performance, which is significantly better than that of time-division multiple access (TDMA).

研究の動機と目的

• アナログビームフォーミング制約下で2ユーザーmmWave-NOMAシステムの和スループットを最大化する課題に対処すること。
• mmWave-NOMAにおける共同ビームフォーミングおよび電力割り当ての非凸性を、取り扱いやすい部分問題に分解することで克服すること。
• RFチェーン数の制限により周波数分割多重（FDM）などの直交的スケーマでユーザー多重が制限されるmmWaveシステムにおける効率的なマルチユーザー対応を可能にすること。
• ユーザーのチャネル相関とパワー領域多重を活用することで、NOMAが従来のTDMAに比べてmmWaveシステムで顕著に優れた性能を発揮することを示すこと。
• 提案手法をマルチユーザーmmWave-NOMA環境に拡張し、そのスケーラビリティを検証すること。

提案手法

• 共同ビームフォーミングおよび電力割り当て問題を、電力およびビームゲイン割り当て問題と、固定ビームパターン下での定マグニチュードビームフォーミング問題に分解する。
• ビームフォーマー要素が単位マグニチュード（定マグニチュード制約）を満たす制約下で、サブオプティマルな反復的手法を用いてビームフォーミング問題を解く。
• 受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、パワー領域でユーザーを同時にデコードすることで、同じリソースブロック上での同時送信を可能にする。
• 最適ビームフォーマーを等位相要素を持つ候補ビームフォーマーと比較するノーマライズドビームフォーマー設計を採用し、収束境界を導出する。
• 摂動に基づく解析を導入し、特定の条件下で最適ビームフォーマーがすべての要素で等しいマグニチュードを持つ必要があることを証明することで、ビームフォーマーの最適性を保証する。
• 複素ベクトルノルム不等式および位相整合性を用いて理論的境界を導出し、近似的に最適な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 非凸最適化問題の存在下でも、mmWave-NOMAにおける共同ビームフォーミングおよび電力割り当てが近似的に最適な和スループットを達成できるか？
• RQ2 RFチェーン数が限られる実用的なアナログビームフォーミングハードウェアに適合するように、ビームフォーミング設計をどのように制約できるか？
• RQ3 実際のハードウェア制約下で、mmWave-NOMAの和スループットは従来のTDMAに比べてどの程度向上するか？
• RQ4 mmWave帯域におけるユーザーのチャネル相関が、NOMA伝送の実現可能性および性能にどのように影響するか？
• RQ5 提案されたサブオプティマル解は、2名以上のユーザーをサポートするmmWave-NOMAシステムに拡張可能か？

主な発見

• 提案されたサブオプティマル解は、理論的上限に非常に近い和スループット性能を達成しており、近似的に最適な効率性を示している。
• 提案されたmmWave-NOMA方式の和スループットは、特にユーザー密度の高い状況において、時分割多重アクセス（TDMA）を著しく上回っている。
• 定マグニチュード制約を課したビームフォーミング設計は高いスペクトル効率を維持しており、RFチェーン数が限られても効果的であることが実証された。
• 理論的解析により、導出された条件下で最適ビームフォーマーは等しいマグニチュードを持つ要素を有する必要があることが確認され、設計選択の妥当性が裏付けられた。
• 本手法はマルチユーザーmmWave-NOMAシステムへスケーラブルであり、ユーザー数がRFチェーン数を上回る場合、性能向上が顕著に増幅される。
• 提案手法と最適解との性能ギャップは境界付きであり、アレイサイズが増加するに従い縮小するため、強固なロバストネスを示している。