[논문 리뷰] Millimeter-Wave Communication with Non-Orthogonal Multiple Access for 5G

Zhenyu Xiao, Linglong Dai외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 14인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 빔포밍을 통한 밀리미터웨이브 비직교다중접속(mmWave-NOMA)을 조사하며, 사용자 간 각도 분리로 인한 성능 저하를 극복하기 위해 다중빔 및 하이브리드 빔포밍 전략을 제안한다. 전력 할당, 빔포밍 및 사용자 쌍화의 공동 최적화가 합산 속도와 내성에 크게 기여하며, 특히 다중 안테나 어레이와 하이브리드 프리코딩 아키텍처를 갖춘 다중 사용자 환경에서 두드러진다.

ABSTRACT

To further improve the system capacity for 5G, we explore the integration of non-orthogonal multiple access (NOMA) in mmWave communications (mmWave-NOMA) for future 5G systems. Compared with the conventional NOMA, the distinguishing feature of mmWave-NOMA is that, it is usually characterized by transmit/receive beamforming with large antenna arrays. In this paper, we focus on the design challenges of mmWave-NOMA due to beamforming. Firstly, we study how beamforming affects the sum-rate performance of mmWave-NOMA, and find that with conventional single-beam forming, the performance may be offset by the relative angle between NOMA users. Then, we consider multi-beam forming for mmWave-NOMA, which is shown to be able to achieve promising performance enhancement as well as robustness. We further investigate the challenging joint design of the intertwined power allocation and user pairing for mmWave-NOMA. We also discuss the challenges and propose some potential solutions in detail. Finally, we consider hybrid spatial division multiple access (SDMA) and NOMA in mmWave communications, where some possible system configurations and the corresponding solutions are discussed to address the multi-user issues including multi-user precoding and multi-user interference (MUI) mitigation.

연구 동기 및 목표

• 기존 단일 빔포밍을 사용할 경우 사용자 간 각도 분리로 인해 NOMA 합산 속도 성능이 떨어지는 문제를 해결한다.
• 대규모 안테나 어레이를 사용하는 방향성 빔포밍으로 인해 상호 연관된 빔포밍, 전력 할당 및 사용자 쌍화 설계의 복잡성을 해결한다.
• 다중 사용자 간섭(MUI)을 관리하고 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해 mmWave 통신에서 하이브리드 공간분할다중접속(SDMA) 및 NOMA를 위한 실용적인 시스템 구성 방안을 제안한다.
• 하이브리드 빔포밍 mmWave-NOMA에서 MUI 무시와 MUI 완화 간의 상충 관계를 조사하며, MUI 영향에 따라 두 가지 시스템 모드로 나뉜다.
• 빔포밍 및 전력 할당의 공동 최적화를 위한 설계 지침과 최적화 기법을 제공한다. 이는 문제 분해, 교대 최적화, 공동 빔포밍 및 전력 할당에 대한 준최적 해를 포함한다.

제안 방법

• 다중빔 포밍을 통해 진열 어레이를 사용해 다수의 NOMA 사용자를 동시에 서비스함으로써, 단일 빔 포밍 대비 합산 속도와 내성 향상을 달성한다.
• 전력 할당 및 빔포밍의 공동 최적화 문제를 수립하며, 문제 분해 및 교대 최적화 기법을 활용해 준최적 해를 도출한다.
• 두 가지 시스템 구성 방식을 도입한다: 모드 1(독립형 아날로그 빔포밍 mmWave-NOMA)은 MUI가 낮은 시나리오에 적합하고, 모드 2(과부하된 SDMA 또는 하이브리드 빔포밍)는 MUI가 높은 시나리오에 적합하다.
• 하이브리드 프리코딩(디지털 및 아날로그 빔포밍)을 적용해 디지털 프리코딩, 아날로그 프리코딩 및 전력 할당의 공동 설계를 가능하게 하여 간섭 하에서의 시스템 성능 향상을 달성한다.
• 서브어레이 및 최적화 기법을 활용해 mmWave-NOMA에서 다중빔 포밍 및 하이브리드 빔포밍의 증가된 복잡도를 관리한다.
• 동일한 자원ブロック에서 동시 전송을 가능하게 하기 위해 전력 도메인에서 연속 간섭 제거(SIC)를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자가 각도적으로 분리되어 있을 경우, 특히 빔 방향에 정렬되어 있지 않을 때, 단일 빔포밍이 mmWave-NOMA의 합산 속도 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다중빔 포밍은 mmWave-NOMA에서 합산 속도와 내성을 향상시킬 수 있으며, 단일 빔 포밍 대비 설계 과제는 무엇인가?
• RQ3 방향성 전송으로 인해 상호 연관된 성격을 지닌 전력 할당과 빔포밍을 mmWave-NOMA에서 어떻게 공동 최적화할 수 있는가?
• RQ4 사용자 쌍화가 mmWave-NOMA에서 빔포밍과 전력 할당에 어떤 영향을 미치며, 빔포밍 제약 조건 하에서 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ5 mmWave 시스템에서 하이브리드 SDMA와 NOMA를 어떤 조건에서 사용해야 하는가? 디지털 및 아날로그 프리코딩은 어떻게 공동 설계되어 다중 사용자 간섭을 완화해야 하는가?

주요 결과

• 기존의 단일 빔포밍은 사용자 간 각도 분리로 인해 NOMA 사용자 간에 빔 방향에 정렬되지 않을 경우 합산 속도 성능이 저하될 수 있다.
• 다중빔 포밍은 다수의 사용자에게 동시에 빔 스위칭을 가능하게 하여 합산 속도 성능 향상과 시스템 내성 향상에 크게 기여한다.
• mmWave-NOMA에서 전력 할당과 빔포밍의 공동 최적화가 필수적이며, 문제 분해 및 교대 최적화 기법을 통해 준최적이지만 실용적인 해를 도출할 수 있다.
• mmWave-NOMA에서 사용자 쌍화는 빔포밍과 전력 할당과 독립적이지 않으며, 빔포밍의 방향성은 쌍화 성능 및 시스템 성능에 강력한 영향을 미친다.
• 다중 사용자 간섭(MUI)이 무시할 만큼 낮을 경우, 시스템은 독립형 아날로그 빔포밍 mmWave-NOMA(모드 1)로 구성할 수 있어 설계를 단순화할 수 있다.
• MUI가 뚜렷할 경우, 시스템은 하이브리드 빔포밍 구조(모드 2)를 채택해야 하며, 간섭을 억제하고 스펙트럼 효율을 극대화하기 위해 디지털 프리코딩, 아날로그 프리코딩 및 전력 할당을 공동 최적화해야 한다.