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

Lipeng Zhu, Jun Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、5G mmWave-NOMAネットワークにおける総スループットを最大化するための、送信・受信ビームフォーミングおよび電力割り当ての共同最適化手法を提案する。ユーザーのデータレート制約のもとで、3段階の近似最適化手法を用いる：閉形式の電力割り当て、閉形式の受信ビームフォーミング、および送信ビームフォーミングのための境界圧縮型粒子群最適化（BC-PSO）。この手法により、mmWave-OMAや最先端の手法と比較して顕著な性能向上を達成し、ほぼ最適な総スループット性能を実現する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the combination of non-orthogonal multiple access and millimeter-Wave communications (mmWave-NOMA). A downlink cellular system is considered, where an analog phased array is equipped at both the base station and users. A joint Tx-Rx beamforming and power allocation problem is formulated to maximize the achievable sum rate (ASR) subject to a minimum rate constraint for each user. As the problem is non-convex, we propose a sub-optimal solution with three stages. In the first stage, the optimal power allocation with a closed form is obtained for an arbitrary fixed Tx-Rx beamforming. In the second stage, the optimal Rx beamforming with a closed form is designed for an arbitrary fixed Tx beamforming. In the third stage, the original problem is reduced to a Tx beamforming problem by using the previous results, and a boundary-compressed particle swarm optimization (BC-PSO) algorithm is proposed to obtain a sub-optimal solution. Extensive performance evaluations are conducted to verify the rational of the proposed solution, and the results show that the proposed sub-optimal solution can achieve a near-upper-bound performance in terms of ASR, which is significantly improved compared with those of the state-of-the-art schemes and the conventional mmWave orthogonal multiple access (mmWave-OMA) system.

研究の動機と目的

• 5G mmWave-NOMAシステムにおけるスペクトル効率を最大化する課題に取り組む。ただし、RFチェーン数が限られ、方向性ビームフォーミングが可能な環境である。
• 個々のユーザーのデータレート制約のもとで、実現可能な総スループット（ASR）を最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 実装可能性を考慮した実用的実装を可能にするために、共同最適化問題を解ける段階に分解する近似最適解を設計する。
• ハイブリッドアナログ・デジタルビームフォーミングを採用するmmWaveシステムにおける、共同ビームフォーミングと電力割り当ての複雑さを克服する。
• 総スループットおよびスペクトル効率の観点から、従来のmmWave-OMAおよび既存のNOMA手法と比較して顕著な性能向上を示す。

提案手法

• 第1段階：任意の固定された送受信ビームフォーミングに対して、電力割り当て問題を解析的に解く閉形式の最適電力割り当てを導出する。
• 第2段階：任意の固定された送信ビームフォーミングに対して、干渉＋ノイズ共分散の構造を活用して、受信ビームフォーマーの閉形式最適解を設計する。
• 第3段階：先行の結果を代入することで、元の問題を送信ビームフォーミング最適化問題に簡略化し、境界圧縮型粒子群最適化（BC-PSO）アルゴリズムを用いる。
• 送信ビームフォーミング問題の非凸性を扱うためにBC-PSOを採用し、高次元探索空間において収束性と高い性能を確保する。
• NOMAのパワー・ドメイン多重アクセスに整合するように、逐次干渉キャンセレーション（SIC）の原則をビームフォーミングおよび電力割り当て設計に統合する。
• 基地局およびユーザー設備にフェーズドアレイを備えたハイブリッドアナログ・デジタルビームフォーミングアーキテクチャを採用し、実際のmmWaveハードウェア制約を反映する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RFチェーン数が限られるmmWave-NOMAシステムにおいて、送受信ビームフォーミングと電力割り当てを共同最適化することで、総スループットをどのように最大化できるか？
• RQ2 mmWave-NOMAにおいて、固定されたビームフォーミング構成のもとで最適な電力割り当て戦略は何か？ また、これを閉形式で導出可能か？
• RQ3 固定された送信ビームフォーミングのもとで、受信ビームフォーマーを独立して最適化可能か？ その閉形式表現は何か？
• RQ4 送信ビームフォーミングの残りの非凸最適化問題を、低複雑性でどのように効率的に解けるか？
• RQ5 提案手法は、mmWave-OMAおよび既存のNOMA手法と比較して、総スループットおよびスペクトル効率の観点でどの程度優れているか？

主な発見

• 提案された3段階の近似最適解は、実現可能な総スループット（ASR）においてほぼ上限性能に近い結果を達成し、実用的妥当性が明確に示された。
• 閉形式の電力割り当ておよび受信ビームフォーミング解は、ブルートフォース法や反復的手法と比較して、計算複雑度を顕著に低減した。
• 境界圧縮型粒子群最適化（BC-PSO）アルゴリズムは、非凸な送信ビームフォーミング問題に対して、高品質な解に効果的に収束した。
• 提案手法は、従来のmmWave-OMAシステムと比較して、顕著な総スループット向上を達成し、NOMAとmmWave通信の相乗効果を実証した。
• 広範なシミュレーションにより、すべてのユーザーのレート制約を満たしつつ総スループットを最大化できることを確認した。性能は理論的上限に非常に近い。
• 方向性ビームフォーミングとSICによる干渉管理のおかげで、高いパスロスや空間的スパarsityを示す現実的なmmWaveチャネル環境下でも、本手法は頑健であることが確認された。