[論文レビュー] NOMA Meets Finite Resolution Analog Beamforming in Massive MIMO and Millimeter-Wave Networks

Zhiguo Ding, Linglong Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、マッシブMIMOおよびmmWaveネットワークにおける有限分解能アナログビームフォーミング（FRAB）を活用した新規NOMA伝送方式を提案する。この方式では、制限された位相シフトによるビームズレのため、複数のユーザーが同じビームフォーマーを共有する。この方式はFRABに内在するビームズレを欠陥ではなく特徴として利用し、パワー・ドメインNOMAにより同時ユーザー多重を実現し、解析的オフライン性能とシミュレーションによる検証を通じて高いスペクトル効率とダイバーシティ利得を達成する。

ABSTRACT

Finite resolution analog beamforming (FRAB) has been recognized as an effective approach to reduce hardware costs in massive multiple-input multiple-output (MIMO) and millimeter-wave networks. However, the use of FRAB means that the beamformers are not perfectly aligned with the users' channels and multiple users may be assigned similar or even identifical beamformers. This letter shows how non-orthogonal multiple access (NOMA) can be used to exploit this feature of FRAB, where a single FRAB based beamformer is shared by multiple users. Both analytical and simulation results are provided to demonstrate the excellent performance achieved by this new NOMA transmission scheme.

研究の動機と目的

• 有限分解能アナログビームフォーミング（FRAB）がマッシブMIMOおよびmmWaveシステムに及ぼす性能損失を是正すること。
• FRABに内在するビームズレを欠陥ではなく特徴として利用し、複数ユーザーへのアクセスを可能とすること。
• チャネル直交性が保証されない状況下でも、複数ユーザーが同じFRABビームフォーマーを共有できるNOMA伝送方式の設計。
• FRAB-NOMA下でのオフライン確率およびダイバーシティ利得に関する解析的表現の導出。
• レイノルズフェイディングおよびライン・オブ・サイト成分を有するmmWaveチャネルモデル下でのシミュレーションおよび解析的近似による性能向上の検証。

提案手法

• 下行NOMAシナリオを想定し、QoS制約ユーザー群（𝒮₁）とオポチュニスティックユーザー群（𝒮₂）の2グループをモデル化する。
• FRABは有限の位相シフト集合（例：Nq = 2で1ビット分解能）を用いて実装され、ユーザーのチャネル位相に最も近い位相を最小位相誤差基準で選択する。
• 有効チャネルゲインはビームフォーマーとチャネルの相関の二乗絶対値としてモデル化され、解析のため実部と虚部に分解される。
• Nq = 2の場合、チャネルゲインは独立なガウス変数の二乗和として表現可能であり、有効ゲインのCDFおよびPDFの導出が可能となる。
• 二乗ガウス変数の和のCDFに対する漸近的近似を用いて、オフライン確率およびダイバーシティ利得の式を導出する。
• レイノルズフェイティングおよびライン・オブ・サイト成分を有するmmWaveチャネルモデル下で、理論的解析をシミュレーションにより検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常は性能制限要因と見なされる有限分解能アナログビームフォーミングが、マッシブMIMOおよびmmWaveネットワークにおける複数ユーザーアクセスを可能にする要因として活用可能か？
• RQ2 複数ユーザーが同じFRABビームフォーマーを共有するNOMA方式のオフライン性能およびダイバーシティ利得はいかほどか？
• RQ3 スペクトル効率および信頼性の観点から、従来のデジタルビームフォーミングと比較して、提案されたFRAB-NOMA方式の性能はどの程度向上するか？
• RQ4 ビームズレがFRABシステムにおけるユーザーのダイバーシティ利得に与える解析的影響は何か？
• RQ5 FRAB下での有効チャネルゲインのCDFに対する導出された漸近的表現の正確さはどの程度か？

主な発見

• 提案されたFRAB-NOMA方式は、有限位相分解能に起因するビームズレを活用することで、同じビームフォーマーを複数ユーザーが共有可能となり、高いスペクトル効率を達成する。
• 1ビットアナログビームフォーミング（Nq = 2）の場合、有効チャネルゲインは2つの独立したガウス変数の二乗和としてモデル化可能であり、これによりオフラインおよびダイバーシティ解析が可能となる。
• 導出されたオフライン確率式はシミュレーションにより検証され、特に低SNR領域で理論的近似と良好に一致していることが確認された。
• システムのダイバーシティ利得は解析的に導出され、アンテナ数Mに比例することが示され、フェージングに対して高い耐性を示すことがわかった。
• このダイバーシティ利得の解析的結果は、NOMAを導入しない従来のMIMOシステムに対しても適用可能であり、FRABによる性能損失の理解に寄与する。
• シミュレーション結果は、FRAB-NOMA方式が従来の直交多重アクセスを上回ることを確認しており、特にmmWaveおよびマッシブMIMO環境下でスペクトル効率の向上が顕著に見られる。