[논문 리뷰] User Fairness Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) for 5G Millimeter-Wave Communications with Analog Beamforming

Zhenyu Xiao, Lipeng Zhu외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 아날로그 빔포밍을 갖춘 5G 밀리미터파(mmWave) 네트워크에서 사용자 공정성을 고려한 비직교 다중접근(NOMA) 방식을 제안하며, 총 전력 제약과 단일 RF 체인 제약 하에서 최소 사용자 신속도를 최대화하는(최소 최대 공정성) 공동 빔포밍 및 전력 할당을 최적화한다. 각도 도메인의 희소성 특성을 활용하고 폐쇄형 해를 도출함으로써, 이론적 최상한 근처의 스펙트럼 효율성을 달성하며, 기존의 mmWave-OMA 시스템에 비해 공정성과 합계 신속도 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

The integration of non-orthogonal multiple access in millimeter-Wave communications (mmWave-NOMA) can significantly improve the spectrum efficiency and increase the number of users in the fifth-generation (5G) mobile communication. In this paper we consider a downlink mmWave-NOMA cellular system, where the base station is mounted with an analog beamforming phased array, and multiple users are served in the same time-frequency resource block. To guarantee user fairness, we formulate a joint beamforming and power allocation problem to maximize the minimal achievable rate among the users, i.e., we adopt the max-min fairness. As the problem is difficult to solve due to the non-convex formulation and high dimension of the optimization variables, we propose a sub-optimal solution, which makes use of the spatial sparsity in the angle domain of the mmWave channel. In the solution, the closed-form optimal power allocation is obtained first, which reduces the joint optimization problem into an equivalent beamforming problem. Then an appropriate beamforming vector is designed. Simulation results show that the proposed solution can achieve a near-upper-bound performance in terms of achievable rate, which is significantly better than that of the conventional mmWave orthogonal multiple access (mmWave-OMA) system.

연구 동기 및 목표

• mmWave-OMA의 사용자 공정성 한계를 해결하기 위해 스펙트럼 효율성과 사용자 용량 향상을 위해 NOMA를 통합함으로써 개선하고자 한다.
• 단일 RF 체인과 아날로그 빔포밍을 갖춘 다운링크 mmWave-NOMA 시스템에서 공동으로 빔포밍과 전력 할당을 최적화하고자 한다.
• 하드웨어 제약 조건과 비볼록 최적화 조건 하에서 사용자 간 최소로 달성 가능한 신속도를 최대화함(최소 최대 공정성)하고자 한다.
• 채널의 각도 도메인 희소성을 활용하여 계산 복잡도를 감소시키는 부분 최적 해를 개발하고자 한다.

제안 방법

• 총 전력 제약과 단일 RF 체인 제약 하에서 최소 사용자 신속도를 최대화하기 위한 비볼록 공동 빔포밍 및 전력 할당 문제를 수립한다.
• mmWave 채널의 각도 도메인 희소성을 활용하여 최적화를 단순화하고 차원을 감소시킨다.
• 공동 문제를 빔포밍 전용 최적화 문제로 변환하기 위해 폐쇄형 최적 전력 할당을 유도한다.
• 공정성과 시스템 성능 향상을 위해 가장 강한 사용자 채널 방향을 기반으로 효과적인 빔포밍 벡터를 설계한다.
• 사용자들은 신호 대 잡음비가 증가하는 순서로 정렬되어 성능 향상을 위해 순차적 인터패턴 제거(SIC)를 수행한다.
• 유도된 전력 할당이 모든 사용자에게 동일한 신속도를 보장하며, 최소 최대 공정성 기준 하에서 최적임을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아날로그 빔포밍을 갖춘 mmWave 시스템에 NOMA를 효과적으로 적용하여 공정성과 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 단일 안테나 RF 체인과 아날로그 빔포밍 제약 조건 하에서 mmWave-NOMA 시스템에서 사용자 공정성을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ3 SIC를 적용한 mmWave-NOMA 다운링크에서 최소 최대 공정성을 달성하는 최적의 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 각도 도메인 희소성을 활용하면 빔포밍 및 전력 할당의 성능 향상과 해석 가능성은 어떻게 향상되는가?
• RQ5 제안된 부분 최적 해는 이론적 최상한 근처의 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 이론적 최상한 근처의 근사 최적 성능을 달성하여 가용 신속도 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 폐쇄형 전력 할당은 모든 사용자가 동일한 신속도를 확보함으로써 최소 최대 공정성 기준을 충족시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 기존의 mmWave-OMA에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보이며, 특히 공정성과 스펙트럼 효율성 측면에서 두드러진다.
• 합계 신속도가 더 높고, 오차 성능이 더 우수하여 오р토곤럴 다중접근 기반 시스템보다 우수한 성능을 기록한다.
• 가장 강한 사용자 채널 방향을 기반으로 한 빔포밍 설계가 공정성 향상과 시스템 내성 향상에 효과적이다.
• 전력 소비와 하드웨어 제약 조건 하에서도 실행 가능하며, 총 전력 소비가 예산을 초과하지 않는다.