[論文レビュー] Spectrum and Energy Efficient Beamspace MIMO-NOMA for Millimeter-Wave Communications Using Lens Antenna Array

Bichai Wang, Linglong Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 26被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、非直交多重アクセス（NOMA）をビームスペースMIMOと統合することで、RFチェーン数を超えるユーザーをサポートできるスペクトル効率およびエネルギー効率に優れたmmWave伝送方式、ビームスペースMIMO-NOMAを提案する。各ビームにおけるパワー・ドメイン多重化と反復的パワー割り当てを伴うZFベースのプレフィンギングにより、複数ユーザーの多重化を実現し、従来のビームスペースMIMOに比べ最大25%高いエネルギー効率を達成する。

ABSTRACT

The recent concept of beamspace multiple input multiple output (MIMO) can significantly reduce the number of required radio-frequency (RF) chains in millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems without obvious performance loss. However, the fundamental limit of existing beamspace MIMO is that, the number of supported users cannot be larger than the number of RF chains at the same time-frequency resources. To break this fundamental limit, in this paper we propose a new spectrum and energy efficient mmWave transmission scheme that integrates the concept of non-orthogonal multiple access (NOMA) with beamspace MIMO, i.e., beamspace MIMO-NOMA. By using NOMA in beamspace MIMO systems, the number of supported users can be larger than the number of RF chains at the same time-frequency resources. Particularly, the achievable sum rate of the proposed beamspace MIMO-NOMA in a typical mmWave channel model is analyzed, which shows an obvious performance gain compared with the existing beamspace MIMO. Then, a precoding scheme based on the principle of zero-forcing (ZF) is designed to reduce the inter-beam interferences in the beamspace MIMO-NOMA system. Furthermore, to maximize the achievable sum rate, a dynamic power allocation is proposed by solving the joint power optimization problem, which not only includes the intra-beam power optimization, but also considers the inter-beam power optimization. Finally, an iterative optimization algorithm with low complexity is developed to realize the dynamic power allocation. Simulation results show that the proposed beamspace MIMO-NOMA can achieve higher spectrum and energy efficiency compared with existing beamspace MIMO.

研究の動機と目的

• RFチェーン数を超えるユーザー数がサポートできないというビームスペースMIMOの根本的制限を解消する。
• NOMAを用いて、RFチェーン数を超えるユーザーをサポートすることで、mmWaveシステムにおけるマス・コネクティビティを実現する。
• レンズアレイアンテナを用いてNOMAとビームスペースMIMOを統合することで、mmWave MIMOにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率を向上させる。
• スルーレートを最大化するために、インライン・パワーとインタービーム・パワーを同時に最適化する低複雑性の反復的パワー割り当てアルゴリズムを設計する。
• パワー割り当て設計において最小データレート制約を課すことにより、ユーザーの公平性を確保する。

提案手法

• レンズアレイアンテナを用いてNOMAとビームスペースMIMOを統合し、mmWave周波数帯で空間多重化とビームフォーミングゲインを実現する。
• ビームドメインにおけるゼロフォース（ZF）プレフィンギングを適用し、ビーム固有の等価チャネルベクトルを設計することで、インタービーム干渉を抑制する。
• 到達スルーレートを最大化するために、インライン・パワーとインタービーム・パワーの両方を最適化する共同パワー割り当て問題を定式化する。
• 非凸な共同パワー割り当て問題を解く低複雑性の反復的最適化アルゴリズムを開発する。
• スパarsityとビーム相関を有する現実的なmmWaveチャネルモデルを用いて、システム性能を評価する。
• RFチェーン、スイッチ、ベースバンドのエネルギー消費を含む実用的なハードウェアエネルギーモデルを組み込み、エネルギー効率を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMAをビームスペースMIMOに効果的に統合することで、RFチェーン数に制限されるユーザー容量制限を克服できるか？
• RQ2 提案されたビームスペースMIMO-NOMA方式は、従来のビームスペースMIMOと比較して、スルーレートおよびスペクトル効率においてどのように性能を発揮するか？
• RQ3 動的パワー割り当てが、ビームスペースMIMO-NOMAにおける干渉抑制およびシステム合計スルーレートに与える影響は何か？
• RQ4 現実的なハードウェア制約下で、ビームスペースMIMO-NOMAのエネルギー効率は、フルデジタルMIMOおよび従来のビームスペースMIMOと比較してどの程度優れているか？
• RQ5 本方式は、RFチェーン数を超えるユーザーをサポートする中で、ユーザーの公平性をどの程度維持できるか？

主な発見

• 提案されたビームスペースMIMO-NOMAは、特に高ユーザー負荷下で、従来のビームスペースMIMOに比べ最大25%高いエネルギー効率を達成する。
• 反復的パワー割り当てアルゴリズムは10イテレーション以内に収束し、実用的導入に適した高速かつ安定した収束性を示す。
• スペクトル効率は10イテレーション後に安定化し、提案された最適化フレームワークの有効性を裏付ける。
• すべてのユーザーが最小要件レート（1ビット/秒/Hz）を超えるデータレートを達成しており、パワー割り当て設計における公平性の確保に成功している。
• 50名の同時ユーザーに対しても高い性能を維持し、高ユーザー密度下で従来のビームスペースMIMOを上回る性能を発揮する。
• ユーザー数が増加するにつれて、各ビームにおける効率的なマルチユーザー多重化により、ビームスペースMIMO-NOMAの合計スルーレート向上が顕著に増大する。