[논문 리뷰] Millimeter-Wave NOMA with User Grouping, Power Allocation and Hybrid Beamforming

Lipeng Zhu, Jun Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 30.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 품질보증(QoS) 제약 조건 하에서 총 데이터율을 최대화하기 위해 밀리미터파 비정규 다중접속(mmWave-NOMA)을 위한 공동 사용자 군집화, 하이브리드 beamforming, 전력 할당 프레임워크를 제안한다. K-means 군집화를 활용한 사용자 군집화, 근사 제로포싱 디지털 beamforming, 그리고 경계 압축 입자군집 최적화(BC-PSO) 알고리즘을 활용한 아날로그 beamforming를 통해, 기존의 mmWave-OMA 및 완전 디지털 MIMO 시스템에 비해 뛰어난 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates the application of non-orthogonal multiple access in millimeter-Wave communications (mmWave-NOMA). Particularly, we consider downlink transmission with a hybrid beamforming structure. A user grouping algorithm is first proposed according to the channel correlations of the users. Whereafter, a joint hybrid beamforming and power allocation problem is formulated to maximize the achievable sum rate, subject to a minimum rate constraint for each user. To solve this non-convex problem with high-dimensional variables, we first obtain the solution of power allocation under arbitrary fixed hybrid beamforming, which is divided into intra-group power allocation and inter-group power allocation. Then, given arbitrary fixed analog beamforming, we utilize the approximate zero-forcing method to design the digital beamforming to minimize the inter-group interference. Finally, the analog beamforming problem with the constant-modulus constraint is solved with a proposed boundary-compressed particle swarm optimization algorithm. Simulation results show that the proposed joint approach, including user grouping, hybrid beamforming and power allocation, outperforms the state-of-the-art schemes and the conventional mmWave orthogonal multiple access system in terms of achievable sum rate and energy efficiency.

연구 동기 및 목표

• RF 체인 제약 조건으로 인해 자원 블록당 하나의 사용자만 서비스할 수 있는 mmWave-OMA 시스템에서 사용자 다중접속 능력이 제한됨을 해결하기 위해.
• NOMA를 하이브리드 beamforming(HBF)와 통합하여 자원 블록당 다수의 사용자를 서비스함으로써 밀리미터파 통신의 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 최소 데이터율 제약 조건 하에서 사용자 군집화, 전력 할당, 하이브리드 beamforming을 공동 최적화하여 달성 가능한 총 데이터율을 최대화하기 위해.
• 고차원 변수와 일정 진폭 제약 조건을 포함한 비볼록 공동 최적화 문제에 대해 저복잡도의 부분 최적 해법을 개발하기 위해.

제안 방법

• 채널 상관관계를 활용한 K-means 기반 사용자 군집화 알고리즘을 제안하여 채널 응답이 유사한 사용자들이 군집이 형성되도록 하여 효과적인 NOMA 군집화를 가능하게 한다.
• 고정된 하이브리드 beamforming 조건 하에서 전력 할당 문제를 내부 군집 및 외부 군집 전력 할당 하위 문제로 분해하고, 라그랑주 승수법과 KKT 조건을 활용해 해결한다.
• 고정된 아날로그 beamforming 조건 하에서, 외부 군집 간 간섭을 억제하기 위해 근사 제로포싱 방법을 활용해 디지털 beamforming을 설계한다.
• 일정 진폭 제약 조건을 가진 아날로그 beamforming 문제를 해결하기 위해 경계 압축 입자군집 최적화(BC-PSO) 알고리즘을 제안하여 수렴성과 해의 품질을 향상시킨다.
• 전체 프레임워크는 전력 할당과 beamforming 최적화를 번갈아가며 반복적으로 수행하여 데이터율 제약 조건 하에서 총 데이터율을 향상시킨다.
• 계산 효율성이 높으면서도 높은 성능을 유지를 할 수 있도록 설계되어 실용적인 mmWave-NOMA 구현에 적합하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 상관관계 기반 사용자 군집화는 밀리미터파-NOMA 시스템에서 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 하이브리드 beamforming 조건 하에서 군집 내 및 군집 간 NOMA 사용자에 대한 최적의 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 다수의 사용자를 한 빔당 지원하면서도 군집 간 간섭을 최소화할 수 있도록 디지털 beamforming은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 고차원이며 비볼록인 환경에서 일정 진폭 제약 조건을 가진 아날로그 beamforming은 어떻게 효율적으로 최적화할 수 있는가?
• RQ5 제안된 공동 최적화 기법은 기존의 mmWave-OMA 및 완전 디지털 MIMO에 비해 총 데이터율 및 에너지 효율성 측면에서 어떤 성능 향상을 달성하는가?

주요 결과

• 제안된 mmWave-NOMA 기법은 특히 고밀도 사용자 환경에서 기존의 mmWave-OMA에 비해 더 높은 달성 가능한 총 데이터율을 달성한다.
• 사용자 군집화, 전력 할당, 하이브리드 beamforming의 공동 최적화는 자원 블록당 다중 사용자 다중접속을 가능하게 하여 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킨다.
• 제안된 BC-PSO 알고리즘은 일정 진폭 아날로그 beamforming 문제를 효과적으로 해결하여 더 높은 beamforming 이득과 간섭 억제 성능을 달성한다.
• 완전 디지털 MIMO 대비 더 낮은 하드웨어 비용과 전력 소모를 기록하여 뛰어난 에너지 효율성을 보인다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 기법이 계산 복잡도가 증가함에도 불구하고 기준 대비 성능이 뛰어나 총 데이터율 및 에너지 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 확인한다.
• 고정된 beamforming 조건 하에서 내부 군집 및 외부 군집 전력 할당 전략이 최적이며, KKT 조건과 모순 증명을 통한 수학적 증명이 가능하다.