[논문 리뷰] Joint Power Allocation and Beamforming for Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in 5G Millimeter-Wave Communications

Zhenyu Xiao, Lipeng Zhu외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 04.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 아날로그 비트포밍 제약 조건 하에서 2사용자 mmWave-NOMA 시스템의 합률을 최대화하기 위해 부분적으로 최적의 동시 비트포밍 및 전력 할당 방안을 제안한다. 비볼록 문제를 전력/비트 이득 할당 및 일정 모듈러스 비트포밍 하위문제로 분해함으로써, 이 방법은 근사 최적의 합률 성능을 달성하며, TDMA를 크게 능가하고 다중 사용자 환경으로의 확장성도 입증한다.

ABSTRACT

In this paper we explore non-orthogonal multiple access (NOMA) in millimeter-wave (mmWave) communications (mmWave-NOMA). In particular, we consider a typical problem, i.e., maximization of the sum rate of a 2-user mmWave-NOMA system. In this problem, we need to find the beamforming vector to steer towards the two users simultaneously subject to an analog beamforming structure, while allocating appropriate power to them. As the problem is non-convex and may not be converted to a convex problem with simple manipulations, we propose a suboptimal solution to this problem. The basic idea is to decompose the original joint beamforming and power allocation problem into two sub-problems which are relatively easy to solve: one is a power and beam gain allocation problem, and the other is a beamforming problem under a constant-modulus constraint. Extension of the proposed solution from 2-user mmWave-NOMA to more-user mmWave-NOMA is also discussed. Extensive performance evaluations are conducted to verify the rational of the proposed solution, and the results also show that the proposed sub-optimal solution achieve close-to-bound sum-rate performance, which is significantly better than that of time-division multiple access (TDMA).

연구 동기 및 목표

• 아날로그 비트포밍 제약 조건 하에서 2사용자 mmWave-NOMA 시스템의 합률을 최대화하는 문제를 해결하기 위해.
• mmWave-NOMA에서 동시 비트포밍 및 전력 할당의 비볼록성을 극복하기 위해 문제를 다룰 수 있는 하위문제로 분해하기 위해.
• RF 체인 수 제약으로 인해 정규직교 방식에서 사용자 다중화가 제한되는 mmWave 시스템에서 효율적인 다중 사용자 지원을 가능하게 하기 위해.
• 사용자 채널 상관관계와 전력 도메인 다중화를 활용하여 NOMA가 기존의 TDMA에 비해 mmWave 시스템에서 크게 뛰어난 성능을 보일 수 있음을 입증하기 위해.
• 제안된 해법을 다중 사용자 mmWave-NOMA 시나리오로 확장하고, 그 확장성과 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 동시 비트포밍 및 전력 할당 문제를 전력 및 비트 이득 할당, 그리고 고정된 비트 패턴 하의 일정 모듈러스 비트포밍 하위문제로 분해한다.
• 비트포밍 요소가 단위 크기를 가지는 조건(일정 모듈러스 제약) 하에서 비트포밍 문제를 부분 최적의 반복적 방법으로 해결한다.
• 수신기에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용하여 전력 도메인에서 사용자를 디코딩함으로써, 동일한 자원ブロック에서 동시에 전송을 가능하게 한다.
• 최적의 비트포머를 등각도 수신기 요소를 갖는 후보 비트포머와 비교하여 수렴 한계를 유도하는 정규화된 비트포머 설계를 적용한다.
• 편미분 기반 분석을 도입하여 특정 조건 하에서 최적의 비트포머가 모든 요소에서 동일한 크기를 가져야 한다는 것을 증명함으로써 비트포머 최적성 보장을 한다.
• 복소 벡터 노름 부등식과 위상 정렬을 이용한 이론적 한계를 유도하여, 근사 최적 해에 수렴함을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비볼록 최적화 문제의 비볼록성에도 불구하고 mmWave-NOMA에서 동시 비트포밍 및 전력 할당이 근사 최적의 합률 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 한정된 RF 체인 수를 가진 실질적인 아날로그 비트포밍 하드웨어와 일치하도록 비트포밍 설계를 어떻게 제약할 수 있는가?
• RQ3 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 mmWave-NOMA의 합률 향상은 기존의 TDMA에 비해 얼마나 뛰어나게 되는가?
• RQ4 mmWave 대역에서 사용자 채널 상관관계는 NOMA 전송의 실현 가능성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 부분 최적 해법은 2명 이상의 사용자를 지원하기 위해 확장 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 부분 최적 해법은 이론적 상한선에 매우 가까운 합률 성능을 달성하여 근사 최적 효율성을 입증한다.
• 제안된 mmWave-NOMA 방식의 합률은 특히 고밀도 사용자 환경에서 기존의 시간분할다중접속(TDMA)보다 뚜렷이 높다.
• 일정 모듈러스 제약 조건을 가진 비트포밍 설계는 높은 스펙트럼 효율성을 유지하며, 제한된 RF 체인 수 조건에서도 효과적임을 입증한다.
• 이론적 분석을 통해 유도된 조건 하에서 최적 비트포머는 모든 요소에서 동일한 크기를 가져야 하며, 이는 설계 선택의 타당성을 검증한다.
• 이 방법은 다중 사용자 mmWave-NOMA 시스템으로 확장 가능하며, 사용자 수가 RF 체인 수를 초과할수록 성능 향상이 증가한다.
• 제안된 해법과 최적 해법 사이의 성능 격차는 유한하며, 어레이 크가 증가함에 따라 점점 줄어들어 강한 내구성을 보인다.