[論文レビュー] Random Beamforming in Millimeter-Wave NOMA Networks

Z. Ding, P. Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、基地局における完全なチャネル状態情報（CSI）を避けることでフィードバックオーバーヘッドを低減するため、ミリ波非直交多重アクセス（mmWave-NOMA）ネットワーク向けにランダムビームフォーミング方式を提案する。方向性を持つミリ波伝搬特性と確率的幾何学を活用することで、高いスペクトル効率およびアウトージ確率性能を達成し、1ビットフィードバックにより顕著なオーバーヘッド低減を実現しながら、最適なしきい値設計により完全なダイバーシティゲインを維持する。

ABSTRACT

This paper investigates the coexistence between two key enabling technologies for the fifth generation (5G) mobile networks, non-orthogonal multiple access (NOMA) and millimeter-wave (mmWave) communications. Particularly, the application of random beamforming to the addressed mmWave-NOMA scenario is considered in this paper, in order to avoid the requirement that the base station knows all the users' channel state information. Stochastic geometry is used to characterize the performance of the proposed mmWave-NOMA transmission scheme, by using the key features of mmWave systems, e.g., mmWave transmission is highly directional and potential blockages will thin the user distribution. Two random beamforming approaches which can further reduce the system overhead are also proposed to the addressed mmWave-NOMA communication scenario, where their performance is studied by developing analytical results about sum rates and outage probabilities. Simulation results are also provided to demonstrate the performance of the proposed mmWave-NOMA transmission schemes and verify the accuracy of the developed analytical results.

研究の動機と目的

• 完全なチャネル状態情報（CSI）が通常必要とされるmmWave-NOMAシステムにおける高いフィードバックオーバーヘッドを解消すること。
• ミリ波伝搬の方向性およびブロッキング効果を活用し、フィードバックが必要なユーザー数を削減すること。
• 部分的CSIおよび1ビットフィードバックを含む低フィードバックビームフォーミング戦略を開発し、システムオーバーヘッドを最小限に抑えつつ性能を維持すること。
• ユーザー分布と干渉をモデル化するための確率的幾何学を用いて、スルーレートとアウトージ確率を解析的に特徴付けること。
• 部分的CSI下での有利なユーザーペアリングのおかげで、限られたフィードバック方式が完全CSI方式を上回ることを示すこと。

提案手法

• 確率的幾何学を用いて、パスロス、シャドウイング、ブロッキング効果を組み込んだmmWaveネットワークにおけるユーザー分布をモデル化する。
• 完全なCSIフィードバックを回避するため、1本のビームを用いたランダムビームフォーミングを適用し、ユーザーの距離または1ビットフィードバックに基づいてスケジューリングに依存する。
• ユーザーが経路損失（距離）に基づいてのみフィードバックする部分的CSI方式を提案し、有効チャネル利得の代わりに経路損失による順序付けを可能にする。
• ユーザーがチャネル品質がしきい値を超えるかどうかを1ビットのみで報告する1ビットフィードバック方式を設計し、1ユーザーあたりのフィードバック量を1ビットに削減する。
• フィードバックしきい値がユーザーペアリングおよびダイバーシティゲインに与える影響を分析し、最適なしきち値選択により強いユーザーの完全なダイバーシティゲインを維持できることを示す。
• ビーム間干渉を角度的分離およびビームパターン指向性を用いてモデル化し、狭いビーム幅（Δ = 0.01、約4°ビーム幅）によって干渉が著しく抑制されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダムビームフォーミングは、スペクトル効率やアウトージ確率性能を損なわせることなく、mmWave-NOMAにおけるフィードバックオーバーヘッドを低減できるか？
• RQ2 距離に基づく経路損失（部分的CSI）によるmmWave-NOMAにおけるシステム性能は、完全CSIと比較してどのように異なるか？
• RQ3 1ビットフィードバックはmmWave-NOMAにおけるユーザーペアリングおよびダイバーシティゲインにどのような影響を及ぼすか？また、完全なダイバーシティゲインを維持できるか？
• RQ4 フィードバックしきい値の選択が1ビットフィードバック方式の性能および信頼性に与える影響は何か？
• RQ5 部分的CSI下での有利なユーザーペアリングのおかげで、限られたフィードバック方式が完全CSI方式を上回る可能性があるか？

主な発見

• 1ビットフィードバック方式における強いユーザーのダイバーシティゲインは、ユーザー数Kの増加関数である一方、弱いユーザーのダイバーシティゲインは常に1のまま一定である。
• 適切に設計されたしきい値を用いることで、1ビットフィードバック方式は強いユーザーに対して完全なダイバーシティゲインを達成し、信頼性の高い性能を実現する。
• 最悪および第2位のユーザーがペアリングされる場合、部分的CSI下での有利なユーザーペアリングのおかげで、1ビットフィードバック方式のスルーレートは完全CSI方式を上回る可能性がある。
• 特に狭いビーム幅（Δ = 0.01）を有するミリ波ビームの方向性のおかげで、ビーム間干渉が顕著に抑制され、効果的なマルチビーム運用が可能になる。
• mmWave-NOMAはmmWave-OMAよりもスルーレートおよびアウトージ確率の両面で優れている。特に高送信電力下では、NOMAは強いユーザーに対して0％のアウトージ確率を達成するが、OMAでは達成できない。
• シミュレーション結果は、確率的幾何学に基づく性能モデルの解析的精度を確認しており、スルーレートおよびアウトージ確率の導出式が妥当であることを検証している。