[논문 리뷰] Joint Tx-Rx Beamforming and Power Allocation for 5G Millimeter-Wave Non-Orthogonal Multiple Access (MmWave-NOMA) Networks

Lipeng Zhu, Jun Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 07.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 5G mmWave-NOMA 네트워크에서 사용자 데이터율 제약 조건 하에 합성 데이터율을 최대화하기 위해 통합 송신-수신 beamforming 및 전력 할당 방안을 제안한다. 세 단계로 나누어 구현되는 부분 최적화 접근 방식을 사용하며, 각 단계는 각각 닫힌 형태의 전력 할당, 닫힌 형태의 수신 beamforming, 그리고 송신 beamforming에 대해 경계 압축형 입자 군집 최적화(BC-PSO)를 적용한다. 이로 인해 높은 성능을 달성하면서도 복잡도가 낮아 mmWave-OMA 및 최신 기술 대비 뚜렷한 성능 향상을 보였다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the combination of non-orthogonal multiple access and millimeter-Wave communications (mmWave-NOMA). A downlink cellular system is considered, where an analog phased array is equipped at both the base station and users. A joint Tx-Rx beamforming and power allocation problem is formulated to maximize the achievable sum rate (ASR) subject to a minimum rate constraint for each user. As the problem is non-convex, we propose a sub-optimal solution with three stages. In the first stage, the optimal power allocation with a closed form is obtained for an arbitrary fixed Tx-Rx beamforming. In the second stage, the optimal Rx beamforming with a closed form is designed for an arbitrary fixed Tx beamforming. In the third stage, the original problem is reduced to a Tx beamforming problem by using the previous results, and a boundary-compressed particle swarm optimization (BC-PSO) algorithm is proposed to obtain a sub-optimal solution. Extensive performance evaluations are conducted to verify the rational of the proposed solution, and the results show that the proposed sub-optimal solution can achieve a near-upper-bound performance in terms of ASR, which is significantly improved compared with those of the state-of-the-art schemes and the conventional mmWave orthogonal multiple access (mmWave-OMA) system.

연구 동기 및 목표

• 제한된 RF 체인과 방향성 beamforming 조건에서 5G mmWave-NOMA 시스템의 스펙트럼 효율을 최대화하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 개별 사용자 데이터율 제약 조건 하에 도달 가능한 합성 데이터율(ASR)을 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 실제 구현에 적합한 단계별 분해가 가능한 부분 최적 해법을 설계하여 통합 최적화 문제를 다루기 쉽게 한다.
• 하이브리드 아날로그-디지털 beamforming mmWave 시스템에서의 통합 beamforming 및 전력 할당의 복잡도 문제를 해결한다.
• 합성 데이터율 및 스펙트럼 효율 측면에서 기존의 mmWave-OMA 및 기존 NOMA 기법들 대비 뚜렷한 성능 향상을 입증한다.

제안 방법

• 첫 번째 단계: 고정된 송신-수신 beamforming 조건에서 최적의 전력 할당을 닫힌 형태로 유도하여 전력 할당 하위 문제를 해석적으로 해결한다.
• 두 번째 단계: 고정된 송신 beamformer 조건에서 간섭-노이즈 공분산의 구조를 활용하여 최적의 수신 beamformer를 닫힌 형태로 설계한다.
• 세 번째 단계: 이전 결과를 통합하여 원래 문제를 송신 beamforming 최적화 문제로 단순화하고, 경계 압축형 입자 군집 최적화(BC-PSO) 알고리즘을 사용한다.
• 비볼록성을 가진 송신 beamforming 문제를 다루기 위해 BC-PSO를 활용하여 고차원 탐색 공간에서 수렴성과 향상된 성능을 확보한다.
• SIC 원리를 beamforming 및 전력 할당 설계에 통합하여 NOMA의 전력 도메인 다중화와 일치시킨다.
• 기지국과 사용자 장치 양쪽에 배열형 어레이를 갖춘 하이브리드 아날로그-디지털 beamforming 아키텍처를 사용하여 실제 mmWave 하드웨어 제약 조건을 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 RF 체인 조건에서 mmWave-NOMA 시스템의 합성 데이터율을 최대화하기 위해 통합 송신-수신 beamforming 및 전력 할당을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 고정된 beamforming 구성 조건에서 mmWave-NOMA의 최적 전력 할당 전략은 무엇이며, 이를 닫힌 형태로 유도할 수 있는가?
• RQ3 고정된 송신 beamformer 조건에서 수신 beamformer를 별도로 최적화할 수 있으며, 그 닫힌 형태의 표현식은 무엇인가?
• RQ4 비볼록성을 가진 송신 beamforming 최적화 문제를 저복잡도로 효율적으로 해결하는 방법은 무엇인가?
• RQ5 제안된 해법이 mmWave-OMA 및 기존 NOMA 기법들 대비 합성 데이터율 및 스펙트럼 효율 측면에서 어느 정도 향상되는가?

주요 결과

• 제안된 세 단계 부분 최적 해법은 도달 가능한 합성 데이터율(ASR) 측면에서 근사 최상한 성능에 도달하여 높은 실용적 타당성을 입증한다.
• 닫힌 형태의 전력 할당 및 수신 beamforming 해법은 브루트 포스 또는 반복적 방법 대비 계산 복잡도를 크게 감소시킨다.
• 경계 압축형 입자 군집 최적화(BC-PSO) 알고리즘은 비볼록 송신 beamforming 문제에 대해 고성능 해법으로 수렴하는 데 효과적이다.
• 제안된 해법은 기존의 mmWave-OMA 시스템 대비 뚜렷한 합성 데이터율 향상을 달성하여 NOMA와 mmWave 통신 간의 상호보완적 효과를 입증한다.
• 광범위한 시뮬레이션을 통해 모든 사용자 데이터율 제약 조건을 유지하면서도 합성 데이터율을 최대화하는 것으로 확인되었으며, 이는 이론적 최상한 성능에 매우 가까운 성능을 보였다.
• 방향성 beamforming과 SIC를 통한 간섭 관리 덕분에 고경로 손실 및 공간적 희소성 등의 실제 mmWave 채널 조건에서도 해법이 강인함을 입증했다.