[論文レビュー] Joint Power Control and Beamforming for Uplink Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Millimeter-Wave Communications

Lipeng Zhu, Jun Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、1つのRFチェーンと定数位相シフト器を備えた5Gミリ波（mmWave）システムにおける上行リンク非直交多重アクセス（NOMA）のための、部分最適な同時電力制御およびアナログビームフォーミング方式を提案する。非凸な合計スループット最大化問題を電力制御とビームフォーミングの部分問題に分解することにより、個々のユーザーのスループット制約を満たしつつ、近似的に最適な合計スループット性能を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the combination of two key enabling technologies for the fifth generation (5G) wireless mobile communication, namely millimeter-wave (mmWave) communications and non-orthogonal multiple access (NOMA). In particular, we consider a typical 2-user uplink mmWave-NOMA system, where the base station (BS) equips an analog beamforming structure with a single RF chain and serves 2 NOMA users. An optimization problem is formulated to maximize the achievable sum rate of the 2 users while ensuring a minimal rate constraint for each user. The problem turns to be a joint power control and beamforming problem, i.e., we need to find the beamforming vectors to steer to the two users simultaneously subject to an analog beamforming structure, and meanwhile control appropriate power on them. As direct search for the optimal solution of the non-convex problem is too complicated, we propose to decompose the original problem into two sub-problems that are relatively easy to solve: one is a power control and beam gain allocation problem, and the other is an analog beamforming problem under a constant-modulus constraint. The rational of the proposed solution is verified by extensive simulations, and the performance evaluation results show that the proposed sub-optimal solution achieve a close-to-bound uplink sum-rate performance.

研究の動機と目的

• mmWaveシステムにおいて、RFチェーンの数より多くのユーザーをサポートする課題に対処するため、NOMAとビームフォーミングを組み合わせる。
• 個々のユーザーのスループット制約下で、2ユーザー上行リンクmmWave-NOMAシステムにおける合計スループットを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• mmWaveシステムにおける定数位相制約下での同時電力制御とアナログビームフォーミングの複雑さに対処する。
• 実装可能性を高めるために、元の問題を解ける部分問題に分解する部分最適なソリューションを開発する。
• 現実的なハードウェア制約下で、理論的合計スループット上限に近い実現可能性と性能を保証する。

提案手法

• 同時電力制御とビームフォーミング問題を、ビームゲイン割り当て付きの電力制御と定数位相制約下のアナログビームフォーミングという2つの部分問題に分解する。
• ハードウェアコストと複雑さを低減するため、1つのRFチェーンを備えた定数位相（CM）位相配列ビームフォーミング構造を採用する。
• ビームフォーミングベクトルの振幅および位相制約を含む制約付き最適化問題としてビームフォーミング問題を定式化する。
• 上行リンクNOMAにおいて、受信基地局で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、異なる電力レベルのユーザーをデコードする。
• 強いユーザーのビームゲインを最大化すると同時に、弱いユーザーの最小スループットを保証するようにビームフォーミングベクトルを最適化する。
• 解の最適性を検証するため、ビームフォーミングベクトルが実行可能領域の外周上に位置することを証明し、制約下で最大ゲインを達成していることを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのRFチェーンを備えた2ユーザー上行リンクmmWave-NOMAシステムにおいて、どのようにして同時電力制御とアナログビームフォーミングを最適化できるか？
• RQ2 提案手法の部分最適なソリューションは、従来のビームフォーミングや固定電力割り当てと比較して、どの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ3 個々のユーザーのスループット制約下で、提案手法が理論的上限に近い合計スループットを達成できるか？
• RQ4 アナログビームフォーミングの定数位相制約が、共同最適化の設計と性能に与える影響は何か？
• RQ5 ユーザー間のチャネル相関およびビームアライメントは、mmWave-NOMAシステムにおける達成可能な合計スループットにどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 提案された部分最適なソリューションは、理論的上限に極めて近い合計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。
• 強いユーザー向けのビームフォーミングベクトルは、実行可能領域の外周上に制約されているため、電力および位相制約下で最大ビームゲインが保証されている。
• 弱いユーザーに十分なビームゲインと電力を割り当てることで、両ユーザーの最小スループット要件を満たすことが保証され、弱いユーザーはその要件をわずかに満たす程度の電力を受信する。
• シミュレーション結果から、分解手法がハードウェア制限下で合計スループット最大化と個々のスループット制約の両立を効果的に実現していることが確認された。
• チャネル相関に対してロバストであり、ユーザーが空間的に近接している場合でも、方向性ビームフォーミングと電力域多重により高いスペクトル効率を維持できる。
• 理論的解析により、最適解が実行可能領域の境界上に位置することを証明し、ビームフォーマーの振幅を1/√Nに制限する設計選択の妥当性が裏付けられた。