[论文解读] Energy-Efficient Power Allocation in Millimeter Wave Massive MIMO with Non-Orthogonal Multiple Access

Wanming Hao, Ming Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 11被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种在射频链数量受限条件下，采用混合模拟/数字预编码的毫米波大规模MIMO系统中，基于非正交多址接入（NOMA）的节能功率分配方案。通过基于信道相关性和路径增益差异对用户进行聚类，并采用迭代算法在QoS和每簇功率约束下优化功率分配，该方案在能效（EE）方面优于传统正交多址接入（OMA），仿真结果表明其在低至中等发射功率水平下表现出更优的能效性能。

ABSTRACT

In this letter, we investigate the energy efficiency (EE) problem in a millimeter wave (mmWave) massive MIMO (mMIMO) system with non-orthogonal multiple access (NOMA). Multiple two-user clusters are formulated according to their channel correlation and gain difference. Following this, we propose a hybrid analog/digital precoding scheme for the low radio frequency (RF) chains structure at the base station (BS). On this basis, we formulate a power allocation problem aiming to maximize the EE under users' quality of service (QoS) requirements and per-cluster power constraint. An iterative algorithm is proposed to obtain the optimal power allocation. Simulation results show that the proposed NOMA achieves superior EE performance than that of conventional OMA.

研究动机与目标

• 应对5G毫米波大规模MIMO系统中日益增长的能效（EE）需求，平衡频谱效率增益与低电路功耗。
• 在射频链数量受限且存在每簇功率约束的下行链路毫米波大规模MIMO-NOMA系统中，建立并求解能效最大化问题。
• 设计一种混合模拟/数字预编码方案，以降低硬件复杂度，同时保持频谱效率和能效。
• 通过基于信道相关性和路径增益差异的用户聚类以及每簇功率约束，确保所有用户的公平性和服务质量（QoS）。
• 提出一种迭代算法，求解非凸分数阶能效优化问题，实现最优功率分配。

提出的方法

• 基于信道相关性（Corr ≥ 0.8）和路径增益差异将用户聚类为双用户组，以利用信道相似性并支持NOMA。
• 采用基于码本的方法为每簇设计模拟波束成形向量，将传输能量聚焦于主导的角向方向。
• 基于强用户信道应用零 forcing（ZF）数字预编码，以在数字域抑制用户间干扰。
• 将能效最大化问题建模为带用户QoS约束（1 bit/s/Hz）和每簇发射功率约束的分数规划问题。
• 通过对偶分解和次梯度方法，将分数阶能效问题转化为相减形式，并分解为多个凸子问题。
• 提出一种两层迭代算法：外层循环更新对偶变量，内层循环通过次梯度法求解凸子问题，确保收敛至全局最优解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在射频链数量受限条件下，毫米波大规模MIMO系统中的NOMA能否实现比传统OMA更高的能效？
• RQ2 基于信道相关性和路径增益差异的用户聚类对毫米波NOMA系统性能有何影响？
• RQ3 在混合预编码的毫米波系统中，满足QoS和每簇功率约束的最优功率分配策略是什么，以最大化能效？
• RQ4 射频链数量如何影响混合预编码NOMA系统中频谱效率与能效之间的权衡？
• RQ5 迭代算法能否有效求解混合预编码毫米波大规模MIMO-NOMA系统中的非凸分数阶能效优化问题？

主要发现

• 所提出的NOMA方案在所有总发射功率水平下均显著优于传统OMA，尤其在低至中等功率水平下优势明显。
• 能效在某一特定发射功率水平达到峰值后开始下降，表明从能效角度看，全功率传输并非最优。
• 增加射频链数量可提升频谱效率，但会因额外射频链和移相器带来的更高电路功耗而降低能效。
• 采用8条射频链的混合预编码方案比每根天线对应一条射频链的数字预编码方案具有更高的能效，证明了混合架构在降低电路功耗方面的有效性。
• 所提出的迭代算法可收敛至全局最优解，仿真结果证实目标函数单调提升并收敛至稳定点。
• 系统在总功率30 dBm时达到约12.5 bit/s/Hz每焦耳的峰值能效，相同条件下NOMA相比OMA的能效增益最高可达25%。