[論文レビュー] Millimeter-Wave Communication with Non-Orthogonal Multiple Access for 5G

Zhenyu Xiao, Linglong Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、ビームフォーミングを用いたミリ波非直交多重アクセス（mmWave-NOMA）を調査し、ユーザー間の方位角分離による性能劣化を克服するため、マルチビームおよびハイブリッドビームフォーミング戦略を提案する。 joint最適化によるパワー割り当て、ビームフォーミング、ユーザーペアリングが、特に大規模アレイアンテナとハイブリッドプレフィンギング構造を持つマルチユーザー環境において、合計スループットと耐障害性を顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

To further improve the system capacity for 5G, we explore the integration of non-orthogonal multiple access (NOMA) in mmWave communications (mmWave-NOMA) for future 5G systems. Compared with the conventional NOMA, the distinguishing feature of mmWave-NOMA is that, it is usually characterized by transmit/receive beamforming with large antenna arrays. In this paper, we focus on the design challenges of mmWave-NOMA due to beamforming. Firstly, we study how beamforming affects the sum-rate performance of mmWave-NOMA, and find that with conventional single-beam forming, the performance may be offset by the relative angle between NOMA users. Then, we consider multi-beam forming for mmWave-NOMA, which is shown to be able to achieve promising performance enhancement as well as robustness. We further investigate the challenging joint design of the intertwined power allocation and user pairing for mmWave-NOMA. We also discuss the challenges and propose some potential solutions in detail. Finally, we consider hybrid spatial division multiple access (SDMA) and NOMA in mmWave communications, where some possible system configurations and the corresponding solutions are discussed to address the multi-user issues including multi-user precoding and multi-user interference (MUI) mitigation.

研究の動機と目的

• 従来のシングルビームフォーミングを用いた場合、ユーザー間の方位角分離に起因するNOMA合計スループット性能の劣化という課題に対処すること。
• 大規模アンテナアレイによる指向性ビームフォーミングに起因する、mmWave-NOMAにおけるビームフォーミング、パワー割り当て、ユーザーペアリングの設計の複雑さを克服すること。
• マルチユーザー干渉（MUI）を管理しスペクトル効率を向上させるために、ミリ波通信におけるハイブリッド空間多重多重アクセス（SDMA）およびNOMAの実用的構成を提案すること。
• ハイブリッドビームフォーミングmmWave-NOMAにおけるMUI無視とMUI低減のトレードオフを調査し、MUIの影響に基づく2つのシステムモードを導くこと。
• mmWave-NOMAのための設計指針および最適化技術を提供すること。これには、問題の分解、交互最適化、およびビームフォーミングとパワー割り当ての共同最適化のための近似最適解が含まれる。

提案手法

• 位相配列アンテナを用いたマルチビームフォーミングを活用し、複数のNOMAユーザーを同時にサービス提供することで、シングルビームフォーミングと比較して合計スループットと耐障害性を向上させること。
• パワー割り当てとビームフォーミングの共同最適化問題を定式化し、問題の分解と交互最適化を活用して、近似最適解を求める。
• 2つのシステム構成を導入する：MUIが小さい状況を想定した「モード1（独立したアナログビームフォーミングmmWave-NOMA）」と、MUIが顕著な状況を想定した「モード2（過負荷SDMAまたはハイブリッドビームフォーミング）」。
• ハイブリッドプレフィンギング（デジタルおよびアナログビームフォーミング）を適用し、デジタルプレフィンギング、アナログプレフィンギング、パワー割り当ての共同設計を可能にすることで、干渉下でもシステム性能を向上させること。
• サブアレイおよび最適化技術を活用し、mmWave-NOMAにおけるマルチビームフォーミングおよびハイブリッドビームフォーミングの複雑さを管理すること。
• 同じリソースブロック上で同時送信を可能にするために、パワー領域における逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザーが方位角的に分離している場合、特にビーム方向にユーザーが整列していない場合、従来のシングルビームフォーミングがmmWave-NOMAの合計スループット性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 マルチビームフォーミングはmmWave-NOMAにおける合計スループットと耐障害性を向上させることができるか？ また、シングルビームフォーミングと比較して、設計上の課題は何か？
• RQ3 指向性伝送に起因するビームフォーミングとパワー割り当ての密接な関連性を考慮すると、mmWave-NOMAにおけるパワー割り当てとビームフォーミングの共同最適化はどのように実現できるか？
• RQ4 ユーザーペアリングはmmWave-NOMAにおけるビームフォーミングとパワー割り当てにどのように影響を与えるか？ また、ビームフォーミング制約下で最適化するにはどうすればよいか？
• RQ5 mmWaveシステムにおいてハイブリッドSDMAとNOMAをどの条件下で使用すべきか？ また、デジタルおよびアナログプレフィンギングをどのように共同設計すれば、マルチユーザー干渉を効果的に低減できるか？

主な発見

• 従来のシングルビームフォーミングでは、NOMAユーザー間の方位角分離に起因して合計スループット性能が劣化する場合があり、特にユーザーがビーム方向に整列していない場合に顕著である。
• マルチビームフォーミングにより、ユーザーが方位角的に分離している場合でも、複数ユーザーに同時にビームを向けられるため、合計スループット性能とシステムの耐障害性が顕著に向上する。
• mmWave-NOMAでは、パワー割り当てとビームフォーミングの共同最適化が不可欠であり、問題の分解と交互最適化により、近似最適だが実用的な解が得られる。
• mmWave-NOMAにおけるユーザーペアリングは、ビームフォーミングやパワー割り当てとは独立ではなく、ビームフォーミングの指向性がペアリングゲインとシステム性能に強く影響を与える。
• マルチユーザー干渉（MUI）が無視できる場合、システムは独立したアナログビームフォーミングmmWave-NOMA（モード1）として構成可能であり、設計が簡素化される。
• MUIが顕著な場合、システムはハイブリッドビームフォーミング構造（モード2）を採用する必要があり、干渉を抑制しスペクトル効率を最大化するため、デジタルプレフィンギング、アナログプレフィンギング、パワー割り当ての共同最適化が必要となる。