[논문 리뷰] Joint Power Control and Beamforming for Uplink Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Millimeter-Wave Communications

Lipeng Zhu, Jun Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 15.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단일 RF 체인과 일정 진폭 조절기(Phase Shifter)를 갖춘 5G 밀리미터파(mmWave) 시스템에서 상향링크 비직교 다중접속(NOMA)에 대한 부분 최적의 동시 전력 제어 및 아날로그 빔포밍 방안을 제안한다. 비볼록(sum rate) 최대화 문제를 전력 제어 및 빔포밍 하위 문제로 분해함으로써, 개별 사용자 데이터율 제약 조건을 만족시키면서도 근사 최적의 합성 데이터율 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the combination of two key enabling technologies for the fifth generation (5G) wireless mobile communication, namely millimeter-wave (mmWave) communications and non-orthogonal multiple access (NOMA). In particular, we consider a typical 2-user uplink mmWave-NOMA system, where the base station (BS) equips an analog beamforming structure with a single RF chain and serves 2 NOMA users. An optimization problem is formulated to maximize the achievable sum rate of the 2 users while ensuring a minimal rate constraint for each user. The problem turns to be a joint power control and beamforming problem, i.e., we need to find the beamforming vectors to steer to the two users simultaneously subject to an analog beamforming structure, and meanwhile control appropriate power on them. As direct search for the optimal solution of the non-convex problem is too complicated, we propose to decompose the original problem into two sub-problems that are relatively easy to solve: one is a power control and beam gain allocation problem, and the other is an analog beamforming problem under a constant-modulus constraint. The rational of the proposed solution is verified by extensive simulations, and the performance evaluation results show that the proposed sub-optimal solution achieve a close-to-bound uplink sum-rate performance.

연구 동기 및 목표

• NOMA와 빔포밍을 융합하여 mmWave 시스템에서 RF 체인 수보다 많은 사용자를 지원하는 과제를 해결한다.
• 개별 사용자 데이터율 제약 조건 하에서 2사용자 상향링크 mmWave-NOMA 시스템의 합성 데이터율을 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• mmWave 시스템에서 일정 진폭 조건 하에서 동시 전력 제어 및 아날로그 빔포밍의 복잡성을 극복한다.
• 실제 구현에 적합한 해를 도출하기 위해 원래 문제를 해석 가능한 하위 문제로 분해하는 부분 최적의 해법을 개발한다.
• 현실적인 하드웨어 제약 조건 하에서 이론적 합성 데이터율 상한선에 가까운 타당성과 성능을 확보한다.

제안 방법

• 동시 전력 제어 및 빔포밍 문제를 두 개의 하위 문제로 분해: 전력 제어(빔 이득 할당 포함) 및 일정 진폭 조건 하의 아날로그 빔포밍.
• 하드웨어 비용과 복잡성을 줄이기 위해 단일 RF 체인과 일정 진폭(CM) 페이즈드 어레이 빔포밍 구조를 사용한다.
• 빔포밍 벡터의 진폭 및 위상 제약 조건을 포함한 제약 조건 최적화 문제로 빔포밍 문제를 수립한다.
• 상향링크 NOMA에서 서로 다른 전력 수준의 사용자를 디코딩하기 위해 기지국에서 순차 간섭 제거(SIC)를 적용한다.
• 강한 사용자에 대해 빔 이득을 최대화하면서도 약한 사용자의 최소 데이터율을 확보하기 위해 빔포밍 벡터를 최적화한다.
• 해가 타당 영역의 외부 경계 상에 위치함을 증명함으로써 해의 최적성을 검증한다. 이는 제약 조건 하에서 최대 이득을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 RF 체인을 갖춘 2사용자 상향링크 mmWave-NOMA 시스템에서 동시 전력 제어 및 아날로그 빔포밍을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 기존의 빔포밍 또는 고정 전력 할당 대비 제안된 부분 최적 해법이 얼마나 높은 성능 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ3 개별 사용자 데이터율 제약 조건 하에서 제안된 방법이 이론적 상한선에 가까운 합성 데이터율을 달성할 수 있는가?
• RQ4 아날로그 빔포밍의 일정 진폭 제약 조건이 동시 최적화 설계 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 사용자 채널 상관성과 빔 정렬은 mmWave-NOMA 시스템의 구현 가능한 합성 데이터율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 부분 최적 해법은 이론적 상한선에 매우 가까운 합성 데이터율 성능을 달성하여 근사 최적의 효율성을 입증한다.
• 강한 사용자에 대한 빔포밍 벡터는 타당 영역의 외부 경계 상에 위치하여 전력 및 위상 제약 조건 하에서 최대 빔 이득을 보장한다.
• 충분한 빔 이득과 전력 할당을 통해 두 사용자의 최소 데이터율 요구 조건을 보장하며, 약한 사용자는 정확히 요구 조건을 충족할 수 있도록 할당된다.
• 시뮬레이션 결과는 분해 기법이 하드웨어 제약 조건 하에서 합성 데이터율 최대화와 개별 데이터율 제약 조건 간의 균형을 효과적으로 확보함을 확인한다.
• 채널 상관성에 대해 강인하며, 사용자 간 공간적 근접성 조건 하에서도 방향성 빔포밍과 전력 도메인 다중접속 덕분에 높은 스펙트럼 효율성을 유지한다.
• 이론적 분석을 통해 최적 해가 타당 영역의 경계 상에 위치함을 증명함으로써, 빔포머의 진폭을 1/√N로 제약하는 설계 선택의 타당성을 입증한다.