[論文レビュー] User Fairness Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) for 5G Millimeter-Wave Communications with Analog Beamforming

Zhenyu Xiao, Lipeng Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、アンビエントビームフォーミングを備えた5Gミリ波（mmWave）ネットワークにおけるユーザーの公平性を考慮した非直交多重アクセス（NOMA）方式を提案する。全受信機帯域幅制約と単一RFチェーン制約の下で、ビームフォーミングとパワー割り当てを共同最適化し、最小ユーザー速率を最大化（max-min公平性）することを目的としている。ミリ波チャネルの角度ドメインスパarsityを活用し、閉形式のパワー割り当てを導出することで、近似的に最適なスペクトル効率を達成し、従来のmmWave-OMAシステムに比べて公平性と和スループットの両面で顕著に優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

The integration of non-orthogonal multiple access in millimeter-Wave communications (mmWave-NOMA) can significantly improve the spectrum efficiency and increase the number of users in the fifth-generation (5G) mobile communication. In this paper we consider a downlink mmWave-NOMA cellular system, where the base station is mounted with an analog beamforming phased array, and multiple users are served in the same time-frequency resource block. To guarantee user fairness, we formulate a joint beamforming and power allocation problem to maximize the minimal achievable rate among the users, i.e., we adopt the max-min fairness. As the problem is difficult to solve due to the non-convex formulation and high dimension of the optimization variables, we propose a sub-optimal solution, which makes use of the spatial sparsity in the angle domain of the mmWave channel. In the solution, the closed-form optimal power allocation is obtained first, which reduces the joint optimization problem into an equivalent beamforming problem. Then an appropriate beamforming vector is designed. Simulation results show that the proposed solution can achieve a near-upper-bound performance in terms of achievable rate, which is significantly better than that of the conventional mmWave orthogonal multiple access (mmWave-OMA) system.

研究の動機と目的

• mmWave-OMAにおけるユーザーの公平性の制限を是正し、スペクトル効率とユーザー容量を向上させるためにNOMAを統合すること。
• アンビエントビームフォーミングと単一RFチェーンを備えたダウンリンクmmWave-NOMAシステムにおいて、ビームフォーミングとパワー割り当てを共同最適化すること。
• ハードウェア制約と非凸最適化の下で、ユーザー間の最小実現可能速率を最大化すること（max-min公平性）。
• チャネルの角度ドメインスパarsityを活用することで計算複雑性を低減する部分最適解を構築すること。

提案手法

• 全パワー制約と単一RFチェーン制約の下で、最小ユーザー速率を最大化する非凸な共同ビームフォーミングとパワー割り当て問題を定式化する。
• mmWaveチャネルの角度ドメインスパarsityを活用して最適化を簡素化し、次元削減を実現する。
• 共同問題をビームフォーミングのみの最適化問題に変換するため、閉形式の最適パワー割り当てを導出する。
• 最も強いユーザーのチャネル指向に基づいた効果的なビームフォーミングベクトルを設計し、公平性とシステム性能を向上させる。
• ユーザーは、受信ゲインが小さい順に並べ替えられ、順次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて復調される。
• 導出されたパワー割り当てが、すべてのユーザーに等しいレートを達成し、max-min公平性基準において最適であることを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンビエントビームフォーミングを備えたmmWaveシステムにNOMAを効果的に適用することで、公平性とスペクトル効率を向上させることができるか？
• RQ2 単一アンテナRFチェーンとアンビエントビームフォーミングの制約下で、mmWave-NOMAシステムにおけるユーザー公平性をどのように最大化できるか？
• RQ3 SICを備えたダウンリンクmmWave-NOMAシステムにおいて、max-min公平性を達成する最適なパワー割り当て戦略は何か？
• RQ4 角度ドメインスパarsityを活用することで、ビームフォーミングとパワー割り当ての性能と取り扱いやすさはどのように向上するか？
• RQ5 提案された部分最適解は、理論的上限と比較して近似的に最適な性能を達成できるか？

主な発見

• 提案手法は、実現可能レートの観点で近似的に最適な性能を達成し、理論的上限に非常に近い。
• 閉形式のパワー割り当てにより、すべてのユーザーが等しいレートを達成し、max-min公平性基準を満たす。
• シミュレーション結果から、従来のmmWave-OMAに比べて顕著な性能向上が確認され、特に公平性とスペクトル効率の面で優れている。
• 和スループットが高く、オフライン多重アクセス方式よりも優れたアウトージ性能を達成する。
• 最も強いユーザーのチャネル指向に基づくビームフォーミング設計は、公平性とシステムのロバストネスを効果的に向上させる。
• 全パワー消費量が予算を超えない範囲で実行可能であり、パワー制約とハードウェア制約を満たす。