[論文レビュー] Millimeter-Wave NOMA with User Grouping, Power Allocation and Hybrid Beamforming

Lipeng Zhu, Jun Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 39被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、サービス品質制約のもとでスルーレートを最大化するため、ミリ波非直交多重アクセス（mmWave-NOMA）における同時ユーザー群集、ハイブリッドビームフォーミング、および電力割り当てフレームワークを提案する。K-meansクラスタリングによるユーザー群集、近似的ゼロ強制デジタルビームフォーミング、および境界圧縮型粒子群最適化（BC-PSO）アルゴリズムを用いたアナログビームフォーミングにより、従来のmmWave-OMAおよび完全デジタルMIMOシステムと比較して、優れたスペクトル効率およびエネルギー効率を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates the application of non-orthogonal multiple access in millimeter-Wave communications (mmWave-NOMA). Particularly, we consider downlink transmission with a hybrid beamforming structure. A user grouping algorithm is first proposed according to the channel correlations of the users. Whereafter, a joint hybrid beamforming and power allocation problem is formulated to maximize the achievable sum rate, subject to a minimum rate constraint for each user. To solve this non-convex problem with high-dimensional variables, we first obtain the solution of power allocation under arbitrary fixed hybrid beamforming, which is divided into intra-group power allocation and inter-group power allocation. Then, given arbitrary fixed analog beamforming, we utilize the approximate zero-forcing method to design the digital beamforming to minimize the inter-group interference. Finally, the analog beamforming problem with the constant-modulus constraint is solved with a proposed boundary-compressed particle swarm optimization algorithm. Simulation results show that the proposed joint approach, including user grouping, hybrid beamforming and power allocation, outperforms the state-of-the-art schemes and the conventional mmWave orthogonal multiple access system in terms of achievable sum rate and energy efficiency.

研究の動機と目的

• RFレーン制約のため、リソースブロックごとに1ユーザーしかサービスを提供できないmmWave-OMAシステムにおけるユーザー多重化能力の制限を解消すること。
• NOMAをハイブリッドビームフォーミング（HBF）と統合することで、リソースブロックあたり複数ユーザーをサービス可能とし、ミリ波通信におけるスペクトル効率およびエネルギー効率を向上させること。
• 最小レート制約のもとで、ユーザー群集、電力割り当て、およびハイブリッドビームフォーミングを共同最適化し、達成可能なスルーレートを最大化すること。
• 高次元変数および定幅制約を含む非凸連合最適化問題に対して、低複雑性で近似的最適な解を導出する手法の開発。

提案手法

• チャネル相関を用いたK-meansベースのユーザー群集アルゴリズムを提案し、チャネル応答が類似するユーザーをグループ化することで、効率的なNOMAクラスタリングを実現する。
• 固定されたハイブリッドビームフォーミングのもとで、電力割り当て問題をグループ内およびグループ間の電力割り当てサブ問題に分解し、ラグランジュ緩和法およびKKT条件を用いて解く。
• 固定されたアナログビームフォーミングのもとで、デジタルビームフォーミングは近似的ゼロ強制法を用いて設計され、グループ間干渉を抑制する。
• 定幅制約を有するアナログビームフォーミング問題を効率的に解くために、境界圧縮型粒子群最適化（BC-PSO）アルゴリズムを提案し、収束性および解の品質を向上させる。
• 全体のフレームワークは、電力割り当てとビームフォーミングの最適化を交互に繰り返し、レート制約のもとでスルーレートを段階的に向上させる。
• 計算効率が高く性能を維持できるように設計されており、実用的なmmWave-NOMA展開に適している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャネル相関に基づくユーザー群集は、どのようにミリ波-NOMAシステムにおけるスペクトル効率を向上させるか？
• RQ2 ハイブリッドビームフォーミング下で、グループ内およびグループ間のNOMAユーザーに対する最適な電力割り当て戦略は何か？
• RQ3 1本のビームで複数ユーザーをサポートしつつ、グループ間干渉を最小限に抑えるデジタルビームフォーミングはどのように設計できるか？
• RQ4 高次元かつ非凸な設定下で、定幅制約を有するアナログビームフォーミングはどのように効率的に最適化できるか？
• RQ5 提案された連合最適化は、従来のmmWave-OMAおよび完全デジタルMIMOと比較して、スルーレートおよびエネルギー効率の面でどの程度の性能向上を達成するか？

主な発見

• 提案されたmmWave-NOMA方式は、特に高ユーザー密度環境において、従来のmmWave-OMAと比較して高い達成可能なスルーレートを達成する。
• ユーザー群集、電力割り当て、およびハイブリッドビームフォーミングの連合最適化により、リソースブロックあたりのマルチユーザー多重化が可能となり、スペクトル効率が顕著に向上する。
• 提案されたBC-PSOアルゴリズムは、定幅制約を有するアナログビームフォーミング問題を効果的に解き、より高いビームフォーミングゲインおよび干渉抑制効果を達成する。
• 完全デジタルMIMOと比較して、低いハードウェアコストおよび消費電力で優れたエネルギー効率を示す。
• シミュレーション結果は、計算複雑度が増加しても、提案方式がベンチマーク方式を上回ることを確認している。
• 固定ビームフォーミングのもとで、グループ内およびグループ間の電力割り当て戦略が最適であることが、KKT条件および背理法による解析的証明で示されている。