[논문 리뷰] Energy-Efficient Power Allocation in Millimeter Wave Massive MIMO with Non-Orthogonal Multiple Access

Wanming Hao, Ming Zeng외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 14.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 제한된 RF 체인을 가진 혼합 아날로그/디지털 프리코딩을 사용하는 밀리미터 웨이브 막대 MIMO 시스템에서 비직교 다중접근(NOMA)을 위한 에너지 효율적인 전력 할당 방식을 제안한다. 채널 상관관계와 이득 차이를 기반으로 사용자를 군집화하고, QoS 및 군집별 전력 제약 조건 하에서 전력 할당을 최적화하기 위한 반복 알고리즘을 적용함으로써, 기존의 OMA보다 높은 에너지 효율성을 달성한다. 시뮬레이션 결과, 저전력에서 중간 전력 수준에서 특히 뛰어난 EE 성능을 보였다.

ABSTRACT

In this letter, we investigate the energy efficiency (EE) problem in a millimeter wave (mmWave) massive MIMO (mMIMO) system with non-orthogonal multiple access (NOMA). Multiple two-user clusters are formulated according to their channel correlation and gain difference. Following this, we propose a hybrid analog/digital precoding scheme for the low radio frequency (RF) chains structure at the base station (BS). On this basis, we formulate a power allocation problem aiming to maximize the EE under users' quality of service (QoS) requirements and per-cluster power constraint. An iterative algorithm is proposed to obtain the optimal power allocation. Simulation results show that the proposed NOMA achieves superior EE performance than that of conventional OMA.

연구 동기 및 목표

• 5G mmWave 막대 MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율성 향상과 낮은 회로 전력 간의 균형을 이루기 위한 에너지 효율성(EE) 향상의 증가하는 필요성 해결.
• 제한된 RF 체인과 군집별 전력 제약 조건이 있는 다운링크 mmWave 막대 MIMO-NOMA 시스템에서 EE 최대화 문제를 수립하고 해결.
• 하드웨어 복잡성을 줄이면서도 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 유지하기 위해 혼합 아날로그/디지털 프리코딩 방식 설계.
• 채널 상관관계와 경로 이득 차이를 기반으로 사용자 군집화를 통해 모든 사용자에게 공정성과 QoS를 확보.
• 비볼록 분수형 EE 최적화 문제를 해결하기 위한 반복 알고리즘 개발 및 최적 전력 할당 달성.

제안 방법

• 채널 상관관계(≥ 0.8)와 경로 이득 차이를 기반으로 사용자를 이중 사용자 군집으로 군집화하여 채널 유사성을 활용하고 NOMA를 구현.
• 주로 도미넌트 각도 방향으로 전송 에너지를 집중시키기 위해 코드북 기반 접근 방식을 사용해 군집별 아날로그 비트포밍 벡터 설계.
• 강한 사용자 채널을 기반으로 제로포싱(ZF) 디지털 프리코딩 적용을 통해 디지털 영역에서 군집 간 간섭을 억제.
• 사용자 QoS(1 bit/s/Hz) 및 군집별 전송 전력 제약 조건을 포함한 분수형 프로그래밍 문제로 EE 최대화 문제 수식화.
• 분수형 EE 문제를 뺄셈 형태로 변환하고, 이중 분해 및 하위기울기 방법을 통해 여러 개의 볼록 하位문제로 분해.
• 이중 레이어 반복 알고리즘 제안: 외부 루프는 이중 변수를 갱신하고, 내부 루프는 하위기울기 방법을 통해 볼록 하위문제를 해결하여 전역 최적해 수렴 보장.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 RF 체인 조건 하에서 mmWave 막대 MIMO 시스템에서 NOMA가 기존 OMA보다 더 높은 에너지 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 채널 상관관계와 경로 이득 차이를 기반으로 한 사용자 군집화가 mmWave NOMA 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 혼합 프리코딩 mmWave 시스템에서 QoS 및 군집별 전력 제약 조건을 만족하면서 EE를 최대화하는 최적의 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 RF 체인 수가 혼합 프리코딩 NOMA 시스템에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간의 트레이드오프에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 비볼록 분수형 EE 최적화 문제를 효과적으로 해결하기 위해 반복 알고리즘이 mmWave 막대 MIMO-NOMA 혼합 프리코딩 시스템에서 유용한가?

주요 결과

• 제안된 NOMA 방식은 모든 총 전송 전력 수준에서 기존 OMA보다 유의미하게 높은 에너지 효율성을 달성하며, 특히 저전력에서 중간 전력 수준에서 두드러진 성능 향상을 보였다.
• 에너지 효율성은 특정 전송 전력 수준에서 최고에 도달한 후 감소함을 확인하여, 전체 전력 전송이 EE 측면에서 최적은 아님을 시사.
• RF 체인 수를 늘릴수록 스펙트럼 효율성은 향상되지만, 추가적인 RF 체인과 위상 시프터로 인한 높은 회로 전력 소비로 인해 에너지 효율성이 감소함.
• 8개의 RF 체인을 가진 혼합 프리코딩 방식은 안테나당 1개의 RF 체인을 가진 디지털 프리코딩보다 더 높은 EE를 달성하여, 혼합 아키텍처가 회로 전력 절감에 효과적임을 입증.
• 제안된 반복 알고리즘은 전역 최적해로 수렴하며, 시뮬레이션 결과 목적 함수가 단조롭게 향상되고 정적 점으로 수렴함을 확인.
• 총 전력 30 dBm에서 시스템은 약 12.5 bit/s/Hz per Joule의 최고 EE를 달성했으며, 동일 조건에서 NOMA는 OMA 대비 최대 25%의 EE 향상을 기록함.