[논문 리뷰] NOMA Meets Finite Resolution Analog Beamforming in Massive MIMO and Millimeter-Wave Networks

Zhiguo Ding, Linglong Dai외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 28.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 대규모 MIMO 및 mmWave 네트워크에서 유한 해상도 아날로그 빔포밍(FRAB)을 활용하는 새로운 NOMA 전송 방식을 제안한다. 여기서 유한한 단계 수의 위상 이동으로 인해 발생하는 빔 오차 정렬로 인해 다수의 사용자가 동일한 빔포머를 공유하게 된다. 이 방식은 FRAB의 본질적인 빔 오차 정렬을 결함이 아닌 특징으로 활용하여 전력 도메인 NOMA를 통해 동시 사용자 다중화를 실현함으로써 높은 스펙트럼 효율성과 다양성 이득을 달성하며, 분석적 외상 성능 및 시뮬레이션 검증을 통해 검증된다.

ABSTRACT

Finite resolution analog beamforming (FRAB) has been recognized as an effective approach to reduce hardware costs in massive multiple-input multiple-output (MIMO) and millimeter-wave networks. However, the use of FRAB means that the beamformers are not perfectly aligned with the users' channels and multiple users may be assigned similar or even identifical beamformers. This letter shows how non-orthogonal multiple access (NOMA) can be used to exploit this feature of FRAB, where a single FRAB based beamformer is shared by multiple users. Both analytical and simulation results are provided to demonstrate the excellent performance achieved by this new NOMA transmission scheme.

연구 동기 및 목표

• 유한 해상도 아날로그 빔포밍(FRAB)이 대규모 MIMO 및 mmWave 시스템에서 초래하는 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• FRAB의 본질적인 빔 오차 정렬을 결함이 아닌 특징으로 삼아 다중 사용자 액세스를 가능하게 하기 위해.
• 채널 수직성 조건이 유지되더라도 다수의 사용자가 동일한 FRAB 빔포머를 공유할 수 있도록 NOMA 전송 방식을 설계하기 위해.
• FRAB-NOMA 하에서 외상 확률 및 다양성 이득에 대한 분석적 표현을 유도하기 위해.
• Rayleigh fading 및 mmWave 채널 모델(선형 시야 성분 포함) 하에서 시뮬레이션과 분석적 근사치를 통한 성능 향상 검증을 위해.

제안 방법

• 시스템은 QoS 제약이 있는 사용자들이 포함된 그룹 𝒮₁과 기회 기반 사용자들이 포함된 그룹 𝒮₂로 구성된 다운링크 NOMA 시나리오를 모델링한다.
• FRAB는 일정한 위상 이동 집합(예: Nq = 2로 1비트 해상도)을 사용하여 구현되며, 사용자 채널 위상에 대한 위상 오차를 최소화하는 방식으로 빔포머를 선택한다.
• 효율적 채널 이득은 빔포머-채널 상관관계의 제곱 크기로 모델링되며, 분석을 위해 실수부와 허수부로 분해된다.
• Nq = 2인 경우, 채널 이득은 독립된 가우시안 성분의 제곱 합으로 표현되며, 이는 효과적 이득의 누적분포함수(CDF) 및 확률밀도함수(PDF) 유도를 가능하게 한다.
• 제곱 가우시안 변수의 합에 대한 渐近 근사치를 사용하여 외상 확률 및 다양성 이득 표현을 도출한다.
• Rayleigh fading 및 mmWave 채널 모델(선형 시야 성분 포함) 하에서 이론적 분석을 시뮬레이션을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일般적으로 성능 제약 요소로 간주되는 유한 해상도 아날로그 빔포밍이 대규모 MIMO 및 mmWave 네트워크에서 다중 사용자 액세스를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 다수의 사용자가 동일한 FRAB 빔포머를 공유하는 NOMA 방식의 외상 성능 및 다양성 이득은 어떠한가?
• RQ3 스펙트럼 효율성과 신뢰성 측면에서 기존 디지털 빔포밍 대비 제안된 FRAB-NOMA 방식의 성능은 어떠한가?
• RQ4 빔 오차 정렬이 FRAB 시스템에서 사용자 다양성 이득에 미치는 분석적 영향은 무엇인가?
• RQ5 FRAB 하에서 효과적 채널 이득의 CDF에 대한 유도된 渐近 표현은 얼마나 정확한가?

주요 결과

• 제안된 FRAB-NOMA 방식은 유한 위상 해상도로 인한 빔 오차 정렬 덕분에 동일한 빔포머를 공유하는 다수의 사용자가 가능해져 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 1비트 아날로그 빔포밍(Nq = 2)의 경우, 효과적 채널 이득은 두 개의 독립된 제곱 가우시안 변수의 합으로 모델링되며, 이는 외상 및 다양성 분석을 위한 분석적 접근이 가능하게 한다.
• 유도된 외상 확률 표현은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 특히 저 SNR 영역에서 이론적 근사치와 근사적인 일치를 보였다.
• 시스템의 다양성 이득은 분석적으로 유도되었으며, 안테나 수 M에 비례함을 입증하여 fading에 대한 강건성을 보였다.
• 유도된 다양성 이득 결과는 NOMA 없이도 일반적인 MIMO 시스템에 적용 가능하며, FRAB로 인한 성능 저하에 대한 통찰을 제공한다.
• 시뮬레이션 결과는 FRAB-NOMA 방식이 기존의 오р토곤럴 다중 액세스 방식보다 스펙트럼 효율성에서 뛰어나며, 특히 mmWave 및 대규모 MIMO 환경에서 뚜렷한 성능 향상을 보임을 확인했다.